От пекарни до биофабрики. Обзор достижений биотехнологии
К счастью, дело не доходит до того, чтобы наша Земля полностью «заросла» бактериями! Для того чтобы микробы могли быстро размножаться, им необходимо достаточное количество пищи и благоприятные условия существования, подобные тем, какие искусственно создаются в биореакторе. В природе же питательные вещества имеются в наличии лишь в ограниченном количестве, да и то не всегда. Кроме того, огромные количества микробов гибнут от воздействия ультрафиолетовых лучей и солнечного света. Недаром врачи уверяют, что для того, чтобы остаться здоровым, необходимо как можно чаще бывать на свежем воздухе под лучами солнца. Местности с высокой ультрафиолетовой радиацией (обычно берег моря, поросший соснами) характеризуются очень низким содержанием микроорганизмов в воздухе. В больницах и научно-исследовательских лабораториях помещения нередко стерилизуют путём облучения ультрафиолетовым светом.
Итак, микробы невероятно продуктивны. В то время как одна корова с живой массой в 500 кг образует за сутки около 0,5 кг белка, а 500 кг растений сои продуцируют за тот же срок 5 кг белка, равная масса дрожжей (то есть тоже 500 кг) способна выработать в биореакторе за сутки 50 т белка, что в 100 раз превышает их собственную массу и примерно равно массе 10 взрослых слонов! Вообразите, что корова в течение одних суток вырастет в гиганта, равного по массе 10 слонам! А ведь именно так растёт микробная масса, беря начало с крошечной невидимой глазом одной-единственной клетки! Таким образом, при определённых условиях микробная клетка способна за равное время продуцировать в 100 000 раз больше белка, чем животная клетка. При этом она потребляет дешёвые вещества, например крахмальные растворы или даже сточные воды. Корове же требуются хорошие и, следовательно, дорогие корма.
Сравнение способности образовывать новый белок животными (корова), растениями (соя) и микробами (дрожжи).
Каждый из этих организмов на 500 кг своей массы за 1 сут производит следующие количества новообразованного белка: корова — 0,5 кг, то есть примерно это масса хомяка; соя — 5 кг, то есть масса кошки; дрожжи — 50 000 кг, то есть масса десяти взрослых слонов. Если бы корова обладала производительностью дрожжей, то её привес за одни-единственные сутки, по всей вероятности, был равен массе десяти слонов.
Поскольку микробов отличает чрезвычайная приспособляемость, их можно быстро и легко селекционировать. Если над тем, чтобы вывести новую породу животных или новый сорт хлебного злака, нередко приходилось биться десятилетиями или даже столетиями (за 150 лет самой напряжённой селекционной работы содержание сахара в сахарной свёкле было повышено всего лишь в 3 раза), то у кистевидной плесени всего лишь за 30 лет удалось в 10 000 раз повысить продуктивность выработки пенициллина!
Однако традиционные методы селекции оставлены далеко позади такими современными методами, как генная инженерия. Сегодня методами генной инженерии микроорганизмы можно побудить даже к тому, чтобы они, согласно поставленным требованиям, продуцировали совершенно необычные для них вещества растений, животных или человека. Наследственный материал микробов можно направленно изменять посредством «манипулирования» с генами. Так в лабораториях биотехнологов создаются новые «живые существа по индивидуальному заказу».
Конструирование микроорганизмов
Знакомство с кишечной палочкой
Из всех живых существ, пожалуй, лучше всего изучена кишечная палочка (колибактерия, Escherichia coli). Эти бактерии, открытые венским врачом Теодором Эшерихом (1857—1911), в огромных количествах населяют органы пищеварения животных и человека и даже снабжают своих «хозяев» витаминами, которые они могут образовывать из cахаров.
Эти невидимые «жильцы» кишечника стали знамениты благодаря своему штамму К 12, изолированному в 1922 г. Чтобы отличить микробные штаммы один от другого, их нумеруют. Штамм К 12 очень удобен для экспериментов, так как полностью утратил жизнеспособность в кишечнике человека и животных. Такие микробы характеризуются как «искалеченные лабораторные бактерии», так как теперь они хорошо себя чувствуют только в определённом питательном растворе, но не в своей исходной естественной среде. Тем самым сводится к минимуму опасность случайного заражения и последующего заболевания исследователей во время эксперимента.
Клетка Escherichia coli имеет около 1 мкм (1 мкм = 0,001 мм) в ширину и примерно вдвое большую длину. Следовательно, эти короткие палочки нельзя рассмотреть в подробностях невооружённым глазом, это можно сделать только с помощью электронного микроскопа. Что же мы увидим?
Стенки колибактерии имеют общую толщину около 0,02 мкм. Они образованы оболочкой, состоящей из деревянистых и жироподобных веществ. В стенках расположены маленькие запирающиеся поры, окружённые кольцом из белковых тел, и большое количество канальцев. Через эти отверстия пищевые вещества проходят во внутренний объём клетки. Снаружи клетка покрыта слизистой массой, из которой выступают длинные жгутики [15], которые непрерывно вращаются и продвигают бактерию.
Клетка заполнена водой, в которой «плавают» (растворены) миллиарды молекул, образуя густой вязкий «суп» — цитоплазму (клеточную плазму). В цитоплазме находится 200 миллионов молекул сахара. В накопительных отсеках клетки длинные цепи соединённых между собой сахаров отлагаются в форме крахмала. К этому следует добавить 30 миллионов молекул аминокислот и 25 миллионов тонкодиспергированных молекул жиров. Из трёх главных строительных «блоков» — сахара, аминокислоты и жира — построены почти все вещества клетки. Всего в одной клетке содержится примерно 1 миллион молекул белка. Белки состоят из длинных цепей аминокислот. В одной клетке присутствует приблизительно 5000 различных типов белковых молекул: некоторые белки используются клеткой как строительный материал, у иных белковых молекул другие функции. Так фибриллярные (нитевидные) белки способны сокращаться; это «мышечные белки», которые приводят в движение жгутики кишечных палочек. Транспортные белки осуществляют перенос вещества внутрь клетки или из клетки в окружающую среду (продукты жизнедеятельности клетки).
Однако многие молекулы белков имеют на своей поверхности углубления, или расщелины. Это и есть белки-ферменты. Они обусловливают все превращения веществ в клетке: расщепление пищи, приобретение энергии и построение новых веществ.
Подобно рабочим на фабрике, ферменты организованы в специальные подразделения. Ферменты либо свободно плавают в цитоплазме, либо прочно закреплены во впячиваниях клеточной стенки или на других частях клетки. При этом ферменты, как на конвейере, передают друг другу продукты своих реакций.
В кажущемся хаосе клетки существует порядок, потому что каждый фермент специализирован. Каждый фермент настроен на продукт реакции своего предшественника, он может воздействовать только на этот продукт и благодаря этому цепочка превращений в клетке продолжается дальше.
Следует только представить себе, что в клетке в одну секунду одновременно протекают превращения с участием нескольких тысяч различных веществ — и это в объёме, равном всего 1 · 10−9 мм3!
Клетка кишечной палочки (колибактерия, Escherichia coli) и некоторые количественные данные о ней. 1 нм = 0,001 мкм = 1 · 10−6 мм.
Строение клетки Escherichia coli.
ДНК — наследственная нить жизни
Продолжим рассмотрение увеличенной под микроскопом бактериальной клетки. Внутри клетки просматривается гигантский клубок, образованный спутанной нитью. Эта нить состоит из двух скрученных одиночных цепей, имеет толщину всего лишь 0,002 мкм и кольцеобразно замкнута. Если бы мы смогли распутать эту нить, то нам пришлось с удивлением констатировать, что её общая длина составляет 1,4 мм, то есть примерно в 1000 раз превышает длину клетки бактерии. Она умещается в клетке только потому, что так плотно скручена. Наряду с этим в клетке присутствуют «карликовые нити», образующие маленькие кольца,— плазмиды. Все эти нити — носители наследственной (генетической) информации и состоят из особого вещества, которое имеет трудно произносимое название — дезоксирибонуклеиновая кислота, сокращённо ДНК.
