Микроорганизмы, обитающие в недрах Земли, широко используются в биогеотехнологии - добыче, превращении и переработке природных ископаемых, нефти и газа. Биогеотехнология получения металлов эксплуатирует способности отдельных микроорганизмов переводить металлы в растворимые соединения (выщелачивание металлов из руды) Thiobacillus ferrooxydans выщелачивает железо, медь и другие металлы с помощью окисления серной кислоты, которую образуют эти микроорганизмы из сульфида. Chromobacterium violaceum способна растворять золото, реализуя процесс Au->-Au (CN)4. Получены высокоэффективные штаммы Pseudomonas и термофильной бактерии Sulfolobus для удаления серы из угля - одной из важнейших экологических проблем. Ведь, сгорая, уголь сильно загрязняет окружающую среду серой.
Для извлечения металлов из сточных вод перспективны штаммы Cilrobacter sp. и Zoogloea, способные накапливать уран, медь, кобальт. Получены мутанты Cilrobacter sp. с высоким уровнем фермента фосфатазы. Такие сверхпродуценты в 2,5 раза быстрее накапливают уран, чем родительский штамм. Это связано с осаждением металла на поверхности клеток в результате энзиматического освобождения неорганического фосфата.
Бактерии родов Rliodococcus и Nocardia sp. используют для эмульгирования и сорбции углеводородов нефти из водной среды. Они способны разделять водную и нефтяную фазы, концентрировать нефть, очищать сточные воды от примесей нефти. Обещают стать ценными очистителями среды галобактерии. Некоторые из штаммов этих бактерий уже с успехом применяют для удаления мазута с песчаных пляжей. Наряду с природными бактериями перспективна деятельность генно-инженерных штаммов. Уже удалось перенести плазмиды с генами ферментов, расщепляющих октан, камфару, нафталин и ксилол, в Pseudomonas sp. Получен штамм, способный эффективно утилизировать сырую нефть. В ближайшее время он будет включен в арсенал средств биотехнологической очистки от загрязнений.
Мы видим, что биотехнология, уже внедрившаяся в промышленность, активно и эффективно включается в решение экологических проблем. Именно с ней связаны надежды, что удастся создать экологически чистые и экономически высокоэффективные производства, которые придут в XXI в. на смену нынешним.
Природные микроорганизмы, как правило, обладают низкой продуктивностью тех веществ, производство которых необходимо. Для биотехнологии нужны высокопродуктивные штаммы микроорганизмов. Их создают методами селекции - направленного отбора спонтанных или индуцированных (химическими мутагенами или радиацией) мутантов. Получение таких штаммов занимаются иногда многие годы. В результате селекции производительность продуцентов удается увеличить в сотни или тысячи раз. Например, в работе с Penicillium методами селекции выход пенициллина был увеличен в конце концов, примерно в 10 тыс. раз по сравнению с исходным диким штаммом.
Отбору высокопроизводительных штаммов предшествуют тонкие манипуляции селекционера с генетическим материалом исходных штаммов. При этом используют весь спектр естественных способов рекомбинирования генов, известных у бактерий: конъюгацию, трансдукцию, трансформацию и другие генетические процессы. Например, конъюгация (обмен генетическим материалом между бактериями) была успешно использована при создании штамма Pseudomonas putida, способного утилизовать углеводороды нефти. Очень часто прибегают к трансдукции (перенос гена из одной бактерии в другую посредством бактериальных вирусов - бактериофагов) и амплификации (увеличение числа копий нужного гена).
Так, у многих микроорганизмов гены биосинтеза антибиотиков или их регуляторы находятся не в основной хромосоме, а в плазмидах. Путем амплификации удается увеличить число этих плазмид в клетках и существенно повысить производство антибиотиков.
Еще один подход в генетико-селекционной работе - получение генетических рекомбинантов путем слияния разных штаммов бактерий, лишенных стенок (протопластов). Так, слиянием протопластов двух штаммов Streptomyces был сконструирован новый высокоэффективный штамм-продуцент рифампицина С: мутанты Nocardia mediterranei, в которых не синтезировался рифампицин, после слияния сформировали штаммы, продуцирующие три новых рифампицина. Слияние протопластов позволяет объединять генетические материалы и таких микроорганизмов, которые в естественных условиях не скрещиваются.
Ожидается, что прикладная энзимология затронет также область промышленной модификации сахаров и спиртов, эстерификацию олигосахаридов и рибофлавина (витамина В2) и др. Для повышения выхода конечного продукта, упрощения ферментативных процессов и повышения их производственной эффективности в нынешние технологии получения и использования ферментов внедряют генно-инженерные методы. Хороший пример - сыроварение, в котором одновременно используют молочнокислые бактерии и фермент химозин из желудка телят. Клонированный ген прохимозина коровы был перенесен в молочнокислые бактерии Lactococcus и Leuconosloc. Трансформированные молочнокислые бактерии приобрели способность продуцировать химозин что упростило технологию производства сыра. Генно-инженерный (рекомбинатный) пепсиноген, предшественник желудочного фермента пепсина свиньи, получают в клетках Bacillus brevis, трансформированных плазмидой, содержащей ген пепсиногена.
Для повышения термостабильности ферментов в последние годы с помощью генно-инженерных подходов клонируют соответствующие гены из термофильных бактерий и переносят их в клетки продуцентов. Так, для получения из крахмала высокоочищенной глюкозы используют термостабильную а-амилазу Bacillus, продуцируемую Е. coli.
Биотехнологические процессы, состоящие из нескольких ферментативных актов, удается упростить благодаря включению в хромосому одной бактерии всех генов, кодирующих эти ферменты. Таким способом уже удалось в одном ферментационном чане превращать крахмал в фруктозную патоку, ранее для этого процесса требовалось 3 разных фермента - А-амилаза, глюкоамилаза и глюкоизомераза. Для модификации активных центров ферментов и усиления их каталитической активности специалисты возлагают большие надежды на разрабатываемые методы белковой инженерии.
Все шире применяют в производстве иммобилизацию ферментов на носителях. Это позволяет увеличивать их стабильность, получать более чистые продукты реакции, облегчать восстановление и повторное использование биокатализаторов, например, при создании биосенсоров, о которых пойдет речь дальше. Одно из достижений биотехнологии - выделение ферментов из термофильных бактерий. Они термостабильны, что ценится промышленным производством. В частности, в органическом синтезе широко применяют никель-содержащую гидрогеназу из Methanobacterium thermoautotrop. Надо сказать, что большинство ферментов примышленного пользования получают из микроорганизмов и грибов. Только редкие ферменты растительного и животного происхождения (например, папаин, получаемый из плодов папайи) находят промышленное применение.
Ферменты из микроорганизмов все чаще заменяют используемые в некоторых отраслях промышленности аналогичные растительные и животные ферменты. Так, в пивоварении и хлебопечении амилазы Bacillus и Aspergillus сейчас заменили амилазы из пшеничного солода и ячменя, а протеазы из Aspergillus заменили животные и растительные протеазы, употребляемые для размягчения мяса.
Из 2 тыс. известных сейчас ферментов только около 10% ( - 200) вовлечено в промышленное производства Большой практический интерес представляют, в частности, аминоацилаза, применяемая для разделения смесей изомеров аминокислот, целлюлаза, осуществляющая гидролиз целлюлозы в глюкозу, инвертаза, используемая для получения инвертированного сахара, и др.
