БИОТЕХНОЛОГИЯ

Первоначально во многих случаях ферменты использовали в биотехнологическом производстве только в составе живых клеток, которыми нужно уметь управлять так, чтобы мобилизовать содержащиеся в них ферменты на нужные для производства биопроцессы. Сделать это удается не всегда, поэтому биотехнология, основанная на использовании ферментов в составе клеток (и организмов), имеет пределы на пути повышения эффективности. Идеальной была бы система, в которой можно использовать каталитические свойства очищенных ферментов, создав нужные для каждого производства технологические цепочки. В постепенном вытеснении живых (полуоткрытых) систем, каковыми являются клетки и организмы, биохимическими, т. е. полностью открытыми системами, состоящими из изолированных клеточных структур, и заключается тенденция прогресса в биотехнологии. Однако на каждом этапе развития именно уровень научных и методических достижений определяет возможность отказа от клеток и перехода к открытой системе.

Важнейшее достоинство клеток - это хорошо налаженное автоматическое восполнение изнашивающихся структур и постоянное поддержание их в рабочем состоянии. Этого пока не удалось добиться в открытых системах, они неустойчивы и дороги. Поэтому на данном этапе биотехнология выделения и использования ферментов распространяется пока на те случаи, когда ферменты участвуют в производственных процессах, осуществляются относительно простые химические реакции в производственных масштабах - расщепление (гидролиз), сбраживание, обработка и т. д. Ферментам присущи свойства, которые делают возможным их промышленное применение как катализаторов органических синтезов. Они обладают высокой каталитической активностью и в отличие от неорганических катализаторов высокоспецифичны, работают при умеренных рН и температурах (до 50 - 60°С). Неорганические же катализаторы требуют жестких кислотных и температурных условий, разрушительно действующих как на субстрат, так и на продукт реакции.

Активность ферментов поддается регулированию в широких пределах направленным изменением условий среды, ее кислотности, добавками веществ”, активирующих или подавляющих фермент. Главный недостаток ферментов - “ранимость”, повреждаемость. Правда, достигнуты значительные успехи в изменении свойств ферментов - повышена их устойчивость. Удалось существенно расширить сферу потенциального применения ферментов - они теперь “работают” в ангидридных органических растворителях и суперкритических жидкостях.

Микробиологический синтез различных веществ играет ключевую роль в биотехнологическом производстве. Начало современной промышленной микробиологии было положено в 40-х годах, когда наладили производство пенпциллинов методами ферментации. В настоящее время микроорганизмы продуцируют десятки видов соединений - аминокислот, антибиотиков, белков, витаминов, липидов, нуклеиновых кислот, полисахаридов, пигментов, сахаров, ферментов и т. д.

К многообразному миру микроорганизмов относятся прокариоты (одноклеточные организмы, не содержащие оформленных ядер) - бактерии, актиномицеты, риккетсии и низшие эукариоты (одноклеточные и многоклеточные организмы, имеющие сформированные ядра, в которых хромосомы окружены специальной пористой мембраной (липопротеидной природы), - дрожжи, нитчатые грибы, простейшие и водоросли. Из более 100 тыс. видов известных в природе микроорганизмов в биотехнологических процессах используют всего несколько сотен. Микробиологическая промышленность предъявляет к продуцентам жесткие требования, которые важны для технологии производства: высокая скорость роста, использование для жизнедеятельности дешевых субстратов и устойчивость к заражению посторонней микрофлорой.

Это важнейшие направления биотехнологии, основанные на использовании микроорганизмов. Ведь переработка (биодеградация) отходов и побочных продуктов сельского хозяйства и промышленности решает одновременно производственные и природоохранные задачи. Речь идет о достижении двух целей в едином процессе: утилизации (биодеградации) и превращении ненужного (как правило, экологически вредного) сырья в полезные продукты (биоконверсия).

Яркий пример биотехнологии, основанной на биодеградации в сочетании с биоконверсией - хорошо налаженная в Японии и других странах переработка отходов животноводческих комплексов с помощью синезеленых водорослей. Избавляясь от отходов, одновременно получают биомассу с высоким содержанием белка и биогаза, сильно обогащенный метаном. В Индии в настоящее время действует около 600 тыс. биоустановок по производству биогаза, обеспечивающих основную потребность в нем сельского хозяйства.

Одна из сложнейших проблем - утилизация целлюлозы. Целлюлоза - органическое соединение. На планете ежегодно синтезируется 4 - 1010 т-целлюлозы в результате фотосинтеза, т. е. в ней аккумулирована значительная часть солнечной энергии, поступающей на землю. Мировые ресурсы целлюлозы составляют 7×10 т. Это линейный полимер из мономеров целлобиозы, основу которой составляет глюкоза. Полное расщепление целлюлозы до глюкозы могло бы решить множество проблем - получение большого количества углеводов и очистку среды от отбросов лесов и сельскохозяйственного производства, бумажной и текстильной промышленности. Расщепить целлюлозу непросто, так как она состоит из нерастворимых волокон, ассоциированных с другими полисахаридами - гемицеллюлозой, пектином, и окружена лигнином, закрывающим целлюлозу от ферментов. Животные не переваривают целлюлозу. В природе ее расщепляют микроорганизмы, например нитчатый гриб - Trichoderma reesei, который продуцирует большое количество целлюлолитических ферментов (целлюлаз), представляющих собой смесь эндоцеллюлаз и экзоцеллюлаз (расщепляют полимер соответственно изнутри цепочки и с концов) и (3-глюкозидазы. Однако деятельность этих и других известных природных микроорганизмов недостаточно эффективна для создания на их основе промышленной биотехнологии расщепления целлюлозы.

В этой кардинальной и масштабной проблеме, как ни в какой другой, требуется помощь генной инженерии. В настоящее время гены целлюлолитических ферментов уже выделены из некоторых микроорганизмов. Разрабатываются методы их переноса в дрожжи, которые могли бы сначала гидролизовать целлюлозу до глюкозы и затем превращать ее в спирт. Существует, однако, серьезное опасение, что генно-инженерные микроорганизмы с повышенной целлюлолитической способностью могут распространиться в природе и станут наносить ущерб растительному миру и изделиям из целлюлозы, окружающим человека повсеместно.

Поскольку растительные клетки окружены жесткими целлюлозными оболочками, для их слияния нужно предварительно растворить эту оболочку, сохранив находящуюся под ней нежную белково-липидную плазматическую мембрану. Клетки, лишенные целлюлозной оболочки, называют протопластами. Получают протопласты обработкой клеток смесью ферментов. Затем протопласты с обнажившейся плазматической мембраной сливают, получая гибридные клетки, несущие свойства обеих клеток-партнеров. Этим путем созданы межвидовые гибриды табака, картофеля, капусты с турнепсом. Протопласты используют та we для переноса в них органоидов других клеток - митохондрий, хлоропластов, цитоплазмы.

Приведем наиболее интересные гибриды, полученные в результате слияния клеток. Широкое распространение в США и Англии получил гибридный сорт помидоров, устойчивый к двум вирусам (PLRV и PVY), которые наносят наибольший вред этим растениям. Гибридный сорт создали в результате слияния протопластов дикого вида помидора S. brevidens, устойчивого к PLRV и PVY, и коммерческого помидора S. tuberosum. В Японии создан таким образом сорт помидора, устойчивого к высоким температурам.

Значительный прогресс в этой области произошел и благодаря искусственным ассоциациям растительных клеток с микроорганизмами, особенно с азотфиксирующими бактериями. Проблема придания растениям свойства азотфиксации имеет огромное народнохозяйственное значение, поскольку производство азотных удобрений требует больших затрат, а их использование загрязняет среду. Уже получены положительные результаты благодаря искусственным ассоциациям азотфиксирующей бактерии Anaboena variabilis и табака. Несколько подробнее о проблеме азотфиксации будет сказано ниже.

Несмотря на очевидные успехи клеточной инженерии, наибольший интерес в последнее время вызывают работы по целенаправленному изменению свойств сельскохозяйственных растений с помощью методов генной инженерии - конструирования и переноса генов в растительные клетки и в целые растения, В последние годы с появлением генно-инженерных методов клонирования генов и их переноса в растительные клетки, а затем и в регенерируемые из них растения стало возможным заметно быстрее создавать новые сорта. Это направление, зародившееся лишь в середине 80-х годов, быстро набирает темп. Изолировано множество генов растений и микроорганизмов, кодирующих признаки продуктивности, устойчивости к неблагоприятным факторам. Получено немало растений, содержащих такие гены. Растения, несущие в геноме чужеродные гены, т. с. трансгенные растения, постепенно внедряются в сельскохозяйственную практику, их вклад в производстве сельскохозяйственной продукции быстро растет. Прогнозируется, что рынок биотехнологически улучшенных растений и семян в США составит в 1992 г. 24 млн., долл., а в 1997 г. может достичь 122,5 млн. долл.