Значение микроорганизмов, как объектов биотехнологических производств

Объектами биотехнологии являются вирусы, бактерии, грибы, клетки растений, животных и человека, биогенные вещества. Диапазоны распространяются от вирусов до человека. Для реализации биотехнологических процессов важными параметрами биообъектов являются: чистка, скорость размножения клеток и репродукции вирусных частиц, активность и стабильность биомолекул. Следует учитывать, что при создании благоприятных условий для избранного биообъекта биотехнологии эти же условия могут оказаться благоприятными и для микробов-контаминтантов или загрязнений. Представителями контаминирующей микрофлоры оказываются вирусы, бактерии, грибы, которые находятся в культурах растительных и животных клеток. Здесь микробы-контаминанты выступают вредителями производств в биотехнологии. Так при использовании ферментов в качестве биокатализаторов возникает необходимость предохранения их в изолированном состоянии от сапрофитной микрофлоры, которая может проникнуть в сферу биотехнологического процесса извне, в следствие негерметичности. Независимо от систематического положения биообъекта, на практике используют либо природные организованные частицы (фаги, вирусы) и клетки с естественной генетической информацией, либо клетки с искусственно заданной генетической информацией.

Микроорганизмы - это удивительно совершенные творения при­роды. Микробная клетка в состоянии жить и размножаться, используя в качестве источника питания часто только один-единственный орга­нический субстрат и минеральные соли. Бактерии способны жить в аэробных и анаэробных условиях при температурах, близких к О и +80°С. Отдельные виды микроорганизмов находят в струях гейзеров при температурах +105°С, в сверхсоленых озерах, например в зна­менитом Мертвом морс, в вечной мерзлоте Арктики, в океане на глу­бине 11 км, в атмосфере на высоте 11 км. Некоторые бактерии пре­красно себя чувствуют в воде, охлаждающей ядерные реакторы, оста­ются жизнеспособными, получив дозу радиации в 10 тысяч paз превы­шающую смертельную дозу для человека Они выдерживают двухнедельное пребывание в глубоком вакууме, не погибают в открытом космосе в течение 18 ч под смертоносным воздействием солнечной ра­диации. Совершенный, точно регулируемый метаболизм микробной клетки позволяет eй расти с огромной скоростью. Так деление бакте­рий Escherichia coli (кишечная палочка), при росте на полноценной среде, происходили каждые 50 мин. Если сравнить клетку с машиной, то это очень совершенная машина, имеющая коэффициент полезного дей­ствия до 70% (превращение углерода субстрата в углерод меточной биомассы).

Быстрый рост численности населения нашей планеты и исчерпа­ние природных ресурсов - источников питания, кормов и сырья для перерабатывающей промышленности - не позволяют развивать народное хозяйство традиционными методами. Это определяет актуальность развития биотехнологических процессов сегодня и позволяет считать их наиболее перспективными.

Характеристика биотехнологических производств (пищевые и бродильные производства, занятые переработкой сельскохозяйственного сырья, в которых использование микроорганизмов ограничивается какой-либо стадией технологического цикла, и производства, в которых культивирование микроорганизмов является основной стадией технологического цикла)

Продукты биотехнологии или биотехнологические процессы используют в следующих отраслях:

- медицина;

- пищевая промышленность;

- сельское хозяйство;

- экология;

- энергетика;

- химическая промышленность;

- нефтедобыча;

- получение металлов;

- биоэлектроника;

- прочие приложения.

Далее дан краткий обзор применения биотехнологии в различных отраслях народного хозяйства более детально. Упомянуты конкретные продукты, их назначение, но без подробного разбора технологии производства.

Биотехнология в медицине. Вакцины — специально выращенные болезнетворные микроорганизмы, вирусы и их компоненты, которые после специальной обработки вводят в виде ослабленной или убитой культуры в организм человека и обеспечивают за счет этого создание у него иммунитета к данному заболеванию. С этого началась эпоха Луи Пастера, и по сей день вакцины — наиболее эффективное средство борьбы с инфекционными заболеваниями.

В настоящее время выпускают живые вакцины, содержащие ослабленные живые клетки возбудителей инфекционных болезней, к тому же генетически измененные. Другая группа вакцин — убитые, или инактивированные, клетки (гретые, формалиновые, ацетоновые или спиртовые). Третья группа — «химические» вакцины, представляющие собой антигены, тем или иным способом извлеченные из микробных клеток. Четвертая группа — это специальным образом обезвреженные токсины, выделяемые некоторыми возбудителями заболеваний в культуральную жидкость (например, дифтерийный, столбнячный, ботулиновый и другие токсины).

Антибиотики — это не просто вещества, которые действуют против болезнетворных микроорганизмов (например, йод не антибиотик), но это еще и вещества, получаемые с помощью микроорганизмов-продуцентов. В 1929 г. английский ученый Александр Флеминг обратил внимание на то, что вблизи плесени не растут многие болезнетворные микроорганизмы. Позднее было выделено вещество, синтезируемое плесенью, и названо оно пенициллином. Во время Второй мировой войны было начато его производство и применение для лечения раненых. Эффект превзошел все ожидания; по некоторым данным, только в 1940-е и 1950-е годы с помощью пенициллина было спасено от смерти более 15 миллионов человек.

Действительно, часто раненый погибает не от самой раны, а от гнойного воспаления. Например, известно, что рана, полученная Пушкиным на дуэли, сама по себе была не опасна. Но развилось воспаление — перитонит, что и привело к смертельному исходу. При нынешнем состоянии медицины с помощью антибиотиков Пушкина можно было бы вылечить.

Витамины. Известно, что витамины сначала были открыты во фруктах и овощах, откуда их и получали. Потом были найдены микроорганизмы, синтезирующие витамины гораздо быстрее, чем растения. Однако поскольку молекулы витаминов относительно просты, химики научились их синтезировать. Сейчас за биотехнологией осталось производство витаминов В₂ и В₁₂ и один из процессов в преимущественно химическом производстве витамина С.

Инсулин. Около 2% населения земного шара страдает диабетом, и число больных все время возрастает. Диабетики практически не могут жить без ежедневных инъекций раствора специфического белка, который получают из поджелудочных желез свиней. Мало того, что этих желез не хватает. У части больных к тому же возникает аллергия к чужеродному свиному белку. С помощью новой биотехнологии удалось «сконструировать» микроорганизмы, способные с большой скоростью синтезировать инсулин, да не свиной, а человеческий.

Гормон роста. С давних времен среди людей нормального телосложения рождаются и лиллипуты (примерно 10 человек на 1 млн населения). Доказано, что в период, когда тело растет, у лилипутов отсутствует специальный гормон — «соматотропный», или гормон роста.

Такое нарушение физиологии имеется в генотипе у этих людей. Но если в это время в организм вводить гормон роста извне, то человек, казалось бы обреченный стать лилипутом, будет расти и станет нормальным человеком.

Соматотропный гормон можно добывать дорогим и неприятным способом — из гипофиза мозга умерших людей. Новая биотехнология помогла «сконструировать» микроорганизм, способный синтезировать соматотропный гормон, и организовать его производство, которое может удовлетворить все потребности человечества.

Иммуномодуляторы. Физическое здоровье человека во многом определяется состоянием его иммунной системы (а не только, например, отсутствием болезнетворных микробов или наличием витаминов). Найдены средства (интерфероны и интерлейкины), которые стимулируют иммунную систему безотносительно к типу заболевания. Их получают из крови человека, на которую во все годы был большой дефицит, а теперь, в связи с угрозой СПИДа, в особенности. К счастью, биотехнологи создали микроорганизмы, синтезирующие интерфероны с высокой скоростью, так что эта проблема во всяком случае может быть решена, если вложить средства.

Иммунодепрессанты. Бывают случаи, когда требуется не стимулировать иммунную систему, а, наоборот, подавлять ее. Классический пример — пересадка органов: сердца, почек и других. Первые операции такого рода, несмотря на мастерство хирургов, заканчивались неудачно, так как чужеродный орган отторгался организмом. Сейчас после операций используют специальные вещества — иммунодепрессанты, многие из которых получают биотехнологическим путем. Пример — циклоспорин А. В результате больным удается «освоить» чужой орган и жить с ним полноценной жизнью.

Кровезаменители. Во многих случаях при операциях человеку неоходимо переливание крови. Как уже упоминалось, кровь — большой дефицит. В связи с этим созданы различные кровезаменители, например полиглюкин, которые синтезируют с помощью специальных микроорганизмов.

Стероидные гормоны. В детстве многие страдают диатезом, иногда возникает и более тяжелое заболевание — экзема. Для лечения этих болезней используют мази, основанные на стероидных гормонах, при получении которых применяют процесс биотрансформации.

Моноклональные антитела. Мы уже упоминали о новой ветви диагностирования различных заболеваний — моноклональных антителах. Обычные, поликлональные антитела содержатся в сыворотке крови иммунизированных животных. Но там кроме целевых антител есть и другие, что часто мешает диагностированию. По новому методу можно получать специфические антитела к клеткам разных органов одного человека, например антитела к клеткам раковых опухолей, и появилась надежда на возможность лечения с помощью таких антител (они не действуют на здоровые клетки). Основанные на моноклональных антителах диагностикумы позволяют определять беременность, выявлять предрасположенность к диабету, ревматоидному артриту, устанавливать наследственные заболевания, сопровождающиеся утратой каких-то ферментов или белков.

Приведенные примеры, конечно, не исчерпывают всех перспектив биотехнологии в медицине, но они демонстрируют первостепенную важность биотехнологии для этого вида человеческой деятельности.

Биотехнология в пищевой промышленности.Когда-то Марк Твен сказал: «Думаю, что любая пища, данная нам Богом, полезна, за исключением микробов». Великий писатель ошибался. Именно микробы (но, конечно, не болезнетворные) являются основой многих пищевых продуктов, и биотехнология играет важную роль в производстве таких продуктов.

Вино, пиво, квас известны с незапамятных времен, хотя роль микроорганизмов в их технологии стала ясна лишь в прошлом веке.

Хлеб. Уже в Библии упоминается «квасной» хлеб, основанный на дрожжевой закваске. Сейчас в мире производят пекарских дрожжей около 2 млн т/год!

Кисло-молочные продукты. Эти продукты биотехнологии также известны с древности, причем разные народы в качестве молочных заквасок использовали различные микроорганизмы. Отличались и технологии приготовления напитков.

Уксус также известен довольно давно, так как под действием уксусно-кислых бактерий вино превращалось в винный уксус. Сейчас уксус делают из спирта.

Лимонная кислота. Этот важный в кондитерской промышленности и в приготовлении соков продукт раньше действительно получали из лимонов — до тех пор, пока не был найден способ биосинтеза ее из сахара или даже отходов его производства — мелассы, а также из содержащих сахар гидролизатов древесины или зерна. Мировое производство лимонной кислоты — около 200 тыс. т/год.

Спирт. Развитие технологии позволило наряду с алкогольными напитками получать и чистый спирт путем брожения на различных сахарах или углеводах (в том числе и из переработанной древесины). Любопытно, что при изготовлении спирта получают пищевой диоксид углерода, используемый в производстве газированных безалкогольных напитков. Когда в 1985 г. в СССР в связи с антиалкогольной кампанией многие спиртовые заводы были закрыты, оказалось, что сократилось производство безалкогольных напитков из-за возникшего дефицита диоксида углерода.

Пищевой белок. Люди употребляют в пищу мясо ради получения белка, хотя содержание белка в мясе не так уж велико (в бактериях, например, в 2—3 раза больше) и обходится «мясной» белок довольно дорого: животное должно съесть примерно в 20—40 раз больше белка, чем от него в конце концов получим в виде мяса. Поэтому давняя мечта биотехнологов — получить пищевой белок прямо из микроорганизмов, минуя пищевую цепь животных. Этому мешает довольно высокое содержание нуклеиновых кислот в богатых белком бактериальных клетках (должно быть не выше 2—3%). Известны попытки использования биомассы мицелиальных грибов рода Fusarium, на основе которой производят пищевой продукт микопротеин. Для вкуса и цвета в него вводят специальные пищевые добавки. В последнее время научились культивировать мицелий высших съедобных грибов (вешенки, опят, маслят и др.) глубинным способом, т.е. в ферментере. Так что в этом направлении у биотехнологии есть определенные перспективы.

Колбасы. Для получения хороших сортов колбас в фарш вводят специальные закваски определенных видов микроорганизмов, которые способствуют созреванию и приданию массе специфического приятного вкуса.

Биотехнология в сельском хозяйстве.Сельское хозяйство — довольно широкая отрасль. Ее можно подразделить на две основных подотрасли — растениеводство и животноводство. Биотехнология имеет достижения, помогающие обеим этим отраслям. Начнем с животноводства.

Животных, как и человека, надо лечить (ветеринария) и кормить. Есть поэтому много аналогий с биотехнологией для нужд человека.

Вакцины. Возбудители заболеваний у животных иные, чем у людей, особенно с учетом разнообразия видов и пород животных. Требования к вакцинам не такие жесткие, как в медицине, но это не исключает необходимости разрабатывать и выпускать большой ассортимент вакцин для животноводства и птицеводства. Под Москвой расположен биокомбинат, занимающийся таким производством.

Антибиотики. Часто медицинские антибиотики действуют и как ветеринарные препараты. Но государственные органы стараются не использовать медицинские антибиотики для животных. Во-первых, применение медицинских антибиотиков для лечения животных создает риск действия остаточных концентраций их в мясе на «привыкание» (точнее — резистентность) болезнетворных микроорганизмов к этим антибиотикам у человека и в дальнейшем — неэффективность их действия при заболеваниях человека. Поэтому только антибиотики-ветераны, в прошлом бывшие медицинскими (такие, как хлортетрациклин или биомицин), входят в ассортимент кормовых антибиотиков.

Ростовые гормоны в животноводстве играют гораздо большую роль, чем в медицине. Если в применении к человеку они направлены на немногочисленную популяцию лилипутов, то у животных они ускоряют нарастание мышечной массы при откорме. Это не стероидные гормоны, которые сейчас ограничены в применении, а природные белковые, биосинтез которых налажен с помощью генно-инженерных микроорганизмов-продуцентов.

Примерно 50 лет тому назад вещества, ускоряющие рост животных, относились к области фантастики. Например, в книге «Патент АВ» рассказывается об ученом, который ввел подобный препарат новорожденному котенку. Этот котенок рос так быстро, что съел сначала своих братьев и сестер, потом маму, потом охотился за собаками и, превратившись по размерам почти в тигра, стал опасным и для всего населения города. Современные ростовые гормоны ускоряют рост до размеров нормальной взрослой особи, не более.

Кормовой белок. При откорме животных, особенно свиней и кур, наряду с обычным углеводным питанием (которое поставляется в основном зерном), важно иметь белковое питание (обычно это рыбная мука, мясо-костная мука, бобы или шрот сои, гороха, рапса). Всего этого не хватает. Поэтому в качестве кормовых белков используется микробная биомасса, содержащая от 40 до 80 % белка и выращиваемая обычно на разных отходах.

Белок, применяемый для кормовых целей, не имеет ограничений по содержанию нуклеиновых кислот (как пищевой). Эти кислоты благополучно усваиваются животными и не вызывают проблем. Наиболее известен кормовой белок из дрожжей Candida maltosa, выращиваемый на отходах переработки нефти — жидких парафинах. В СССР до 1990 г. ежегодно производилось 1,4 млн т в год такого продукта под названием БВК (белково-витаминный концентрат).

Разработана и реализована вблизи Волгограда в промышленных условиях технология кормового белка на основе метаноокисляющих микроорганизмов, использующих в качестве сырья природный газ и имеющих высокое содержание белка в биомассе (до 75 %). Аналогичным образом создана технология кормового белка на основе водородных бактерий.

Существует несколько заводов по производству кормовых гидролизных дрожжей, где в качестве сырья применяют получаемый после высокотемпературной кислотной обработки гидролизат древесины. Имеются также технологии получения белка на основе технических метанола и этанола.

Все эти виды сырья оказались после повышения цен на нефть, газ и электроэнергию экономически невыгодными. Поэтому разработана и реализована технология получения кормового белка на основе отходов производства зерна (под названиями «Биокорн», «Белотин», «Биотрин»), которая пока еще может конкурировать с дешевой соей из-за рубежа. В других странах для изготовления кормовых дрожжей используют отходы сахарной свеклы и тростника, фруктов, отходы спиртового производства, сельскохозяйственные крахмалосодержащие отходы.

Кормовые аминокислоты. Из 20 аминокислот незаменимыми для человека являются 8: изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, валин, фенилаланин. Для сельскохозяйственных животных к незаменимым относятся также гистидин и аргинин, а для молодняка птицы — пролин. Эти незаменимые аминокислоты не синтезируются организмом, а вносятся с кормом. При этом соотношение разных аминокислот должно примерно соответствовать соотношению их в белке мяса, яиц, молока животных (в зависимости от направления животноводства), а для человека — в белке женского молока. Если какая-то аминокислота имеет концентрацию гораздо большую, чем нужно по соотношению, прирост массы животного не изменится при кормлении такой смесью. Избыток оказывается «лишним». И наоборот, если концентрация какой-то одной аминокислоты будет меньше нужной по соотношению, то рост животного будет определяться именно этой аминокислотой. В биологии это называют «принципом Либиха» по имени немецкого ученого, сформулировавшего этот принцип.

Вернемся к кормам. В белке зерна пшеницы (глютене) много различных аминокислот, но одна из них имеет концентрацию, на 30—40% меньше нужной по соотношению Либиха. Эта аминокислота — лизин. Если ее добавить к корму, состоящему из зерна пшеницы, в относительно небольшом количестве, то белок станет почти в полтора раза более полноценным, и на таком сбалансированном корме соответственно будет в полтора раза больший рост животного без изменения количества самой пшеницы. Чтобы получить тот же эффект без добавок лизина, нужно впустую израсходовать в полтора раза больше зерна. В связи с этим существует довольно большое производство кормовой аминокислоты лизина, которая продуцируется в больших количествах специальными штаммами микроорганизмов.

Производство лизина в США, Японии и других странах достигает 300 тыс. т. Имеется, в меньшей степени, потребность в аминокислотах триптофан (для кормов на основе зерна кукурузы) и треонин (для кормов на основе пшеницы).

Кроме перечисленных областей, где биотехнология используется особенно широко, есть и другие отрасли промышленности, где возможно ее применение. Далее разберем некоторые примеры таких приложений.

Получение растворителей. С помощью анаэробного ацетонобутилового брожения можно перерабатывать крахмалосодержащее сырье. В результате брожения получается смесь растворителей, содержащая 60% бутанола, 30% ацетона и 5—10% этанола, а также газы — водород и диоксид углерода. Бутанол используют как сырье для производства пластмасс, а ацетон — как растворитель. В качестве сырья для ацетонобутилового брожения можно применять и сахаросодержащие отходы типа мелассы и молочной сыворотки.

Органические кислоты технического назначения. Техническую уксусную кислоту используют для получения каучука, пластмасс, синтетических волокон и инсектицидов. Кроме уже упоминавшегося способа получения пищевого уксуса из этанола разрабатывают биотехнологии, где в качестве исходного сырья применяют водород и диоксид углерода или целлюлозу. Молочная кислота, которую можно получать из молочной сыворотки или из 1,2-пропандиола, используется при обработке кож, а также, в особенности, как сырье для биоразлагаемого полимера полилактата.

Лимонная кислота, кроме пищевого и косметического применения, используется в производстве пластмасс, для очистки металлов, а также в составе стиральных порошков. Техническую лимонную кислоту получают из сахаросодержащих отходов, а также из парафинов нефти.

Итаконовая кислота используется в производстве пластмасс и красителей. Ее получают путем ферментации на средах, содержащих сахара или парафины нефти.