БИОТЕХНОЛОГИЯ

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.

Ниже мы приводим некоторые, на наш взгляд наиболее интересные примеры, иллюстрирующие возможности современных биотехнологических подходов основанных на генной инженерии. Как уже говорилось, один из методических приемов переноса генов состоит в пользовании патогенной бактерии Agrobacterium tumefaciens, которая содержит Ti-плазмиду, ответственную за индукцию (побуждение) опухолей у двудольных растений. Технология введения чужеродных генов в эту плазмиду и последующее заражение растений агробактерией с измененной Ti-плазмидой на сегодняшний день наиболее хорошо отработана.

Растения - источник пищи и в принципе обеспечивают потребности человека и животных набором тех соединений, которые клетки животных и человека не синтезируют сами. К таким соединениям относятся и так называемые незаменимые аминокислоты, и многие витамины. Вместе с тем основные виды используемых в пищу растений неполноценны, т. е. дефицитны (для животных) по некоторым аминокислотам. В такие растительные корма необходимо добавлять некоторые аминокислоты - лизин, треонин, триптофан. Бобовые дефицитны по метионину и цистеину.

Для сбалансирования растительных кормов налажено специальное крупномасштабное микробиологическое промышленное производство этих аминокислот. Однако решение проблемы нельзя считать окончательным. Считается, что генная инженерия может кардинально упростить решение этой задачи. В настоящее время уже выделены гены запасаемых белков картофеля (пататин), фасоли (фазеолин), гороха (легуин), кукурузы (зеин), которые составляют основу кормов. Многие из этих генов удалось перенести в растения.

Что специалисты ожидают получить от этих манипуляции? Изменить эти гены таким образом, чтобы в кодируемых ими запасных белках увеличилось содержание дефицитных аминокислот. Есть, правда, опасение, что такая модификация структуры белков будет препятствовать их нормальному “складированию” в семенах. Кроме того, эти белки во многих случаях выполняют определенные функции в клетках, которые после модификации могут блокироваться. Другая идея - использовать искусственно (химически) синтезированные гены, кодирующие в большом количестве незаменимые аминокислоты. Такие эксперименты уже проводят о картофелем для повышения в нем содержания ценных аминокислот.

Запасы энергии в растительном покрове Земли, создаваемой с помощью фотосинтеза, сопоставимы с запасами энергии природных ископаемых. Обычно сухую биомассу превращают в энергию в процессе сгорания, тогда как наиболее эффективный способ превращения с помощью микроорганизмов сырой биомассы в энергию - получение углеводородов биогаза (метана).

Метановое брожение было открыто еще в конце XVIII в. Это сложный процесс, в котором участвует несколько видов микроорганизмов (превалируют Methanobacterium formicicum и М. hungati). Биогаз, образующийся В результате такого брожения, представляет собой смесь, главные компоненты которой метан (65%), углекислый газ (30%) и сероводород (1%).

Для получения биогаза используют смеси органических веществ (навоз, солому, помет, водоросли, целлюлозную биомассу), что требует для метанообразования многокомпонентных микробных ассоциаций. Биогаз давно производят в Китае, Индии, на Филиппинах. Сейчас интерес к этому виду топлива проявляют и в некоторых странах Западной Европы (в частности, во Франции). Метан важен не только для производства биоэнергии. Его получение - эффективный способ утилизации отходов сельского хозяйства.

Экологически чистое топливо - этанол. В последние годы его начинают использовать в двигателях внутреннего сгорания. Наиболее пригодны для производства этанола злаки (особенно кукуруза), картошка, маниок, земляная груша, сахарная свекла, сахарный тростник. У двух последних основной запасной углевод - сахароза, у остальных - крахмал. Сахарозу и крахмал обычно сбраживают с помощью дрожжей Saccharomyces cerevisiae. В последнее время спектр используемых для этого микроорганизмов значительно расширился. Обращено, например, внимание на бактерию Zymomonas mobilis, способную сбраживать сок агавы. Она эффективнее сбраживает сахара и устойчивее к этанолу (конечному продукту), чем дрожжи. В настоящее время ведутся работы по генно-инженерному изменению этой бактерии с целью расширения круга утилизируемых ею субстратов. Перспективными для биоконверсии полисахаридных субстратов в этанол считаются некоторые термофильные бактерии. Так, Clostridium tlicrmohydrosulfuricum утилизирует с очень высоким выходом этанола продукты деградации целлюлозы.

Для повышения выхода продукта и стабилизации активности бактерий производят иммобилизацию их на разных носителях. Согласно прогнозам этанол, получаемый ферментацией углеводородсодержащих субстратов, к 2000 г. будет стоить дешевле, чем спирт, производимый по традиционной химической технологии.

Благодаря поиску микроорганизмов, содержащих углеводороды, которые можно использовать в качестве заменителей нефти, обнаружены некоторые микроводоросли (Bolhryacoceus, Isochrysis и др.), содержащие эти соединения в количестве от 15 до 80% сухой массы клеток. Наилучший состав углеводородов присущ В. braunii, что позволяет использовать ее в качестве источника энергии.

Уже давно микроорганизмы используют как источник белка для питания человека и животных. Еще в годы первой мировой войны один из основоположников молекулярной биологии Макс Дельбрюк с коллегами в Германии (в 1937 г. переехал в США) разработали первый технологический процесс промышленного культивирования пивных дрожжей для их добавления в супы и колбасы. Белки, продуцируемые бактериями или дрожжами и используемые в пищевых целях, получили название белки одноклеточных организмов (БОО).

На первом этапе в качестве сырья для микроорганизмов использовали в основном углеводороды нефти. Затем интерес был проявлен к другим субстратам, прежде всего к природным газам (метан). Как субстраты для получения БОО из дрожжей используют некоторые промышленные отходы (например, отработанный сульфитный щелок с бумажных комбинатов, молочную сыворотку - побочный продукт сыроварения, мелассу (патока), отходы спиртоводочных заводов). Промышленный продукт получают в виде суммарной биомассы. Разработаны промышленные линии для производства и переработки микроводорослей с целью получения БОО. Объем дрожжевой биомассы, полученной в мире в 1985 г., превысил 1 млн. т. Ожидается, что в 1990 г. этот объем возрастет более чем в 2 раза.

Производство БОО имеет многие преимущества перед производством белка в животноводстве и растениеводстве: 500 кг дрожжей дают за сутки 80 кг белков, а у быка того же веса суточный привес составляет в лучшем случае 500 г белка. Однако БОО используют в основном как корм для скота, и лишь в будущем можно ожидать создания технологий получения БОО, пригодных для питания человека. Перспективно в этом отношении культивирование некоторых грибов (Fusarium), зеленых водорослей (Chlorella), цианобактерий (Spirulina), имеющих адекватные для человека органолептические свойства. В настоящее время уже налажено производство на базе крахмала волокнистой массы Fusarium как источника пищи для человека.

Изменения в генах, осуществленные с помощью генной инженерии, могут модифицировать структуру и улучшать свойства пищевых белков. Наибольший интерес в плане таких манипуляций привлекают к себе 3 белка животных и растений: овальбумин курицы, составляющий большую часть (54%) белка яйца, казеины (главная фракция в молоке) и белки сои (42% в бобах). Например, манипуляции с кодирующей частью гена k-казеина, в результате которых из белка элиминировался фрагмент, расположенный между 9-й и 17-й аминокислотами, а также” цистеин, участвующий в образовании дисульфидной связи, привели к тому, что новый белок как пищевой продукт стал более качественным.