От пекарни до биофабрики. Обзор достижений биотехнологии
Получение меди из вскрышных пород с низким содержанием меди с использованием работы бактерий.
Вполне возможно, что в будущем с помощью «биоразработки» месторождений можно будет получать также уран, цинк, свинец, никель и кобальт. По-видимому, и каменный уголь с высоким содержанием серы можно будет «обессеривать» путём воздействия серобактерий и тем самым делать его использование более безопасным для окружающей среды.
Ещё более многообещающим, чем выщелачивание отвалов горной породы, является рудное выщелачивание непосредственно под землей. Для этого горную породу вовсе не нужно сначала извлекать на поверхность. Штольню просто обрызгивают или заливают водой. «Биоразработка» месторождений выгодна и на старых, уже заброшенных рудниках.
По всей вероятности, бактерии могут оказать помощь также в том, чтобы сделать горные работы более безопасными. В каменноугольных шахтах постоянно происходят серьёзные катастрофы из-за устрашающего «рудничного газа»: газ метан, скапливающийся на дне выемок, воспламеняется в результате случайно проскочившей искры. В Советском Союзе в некоторых шахтных стволах и забоях были «распылены» бактерии, которые за 2—4 нед. почти полностью превращают метан в негорючий углекислый газ.
Вероятно, в будущем микробы могут оказаться полезными и при добыче нефти. К настоящему времени добыто лишь около трети общих запасов нефти нефтяных месторождений, так как нефть лишь очень редко образует большие подземные «озера» и часто прочно связана в порах горной породы. Поэтому уже сегодня рядом с настоящей буровой скважиной в нефтяные пласты закачивают воду с тем, чтобы выдавить остаточную нефть. Но вода слишком «жидкая», она легко протекает сквозь нефтеносные «россыпи» горной породы. Нужно было сделать воду более «вязкой», и для этого было найдено средство — сахаросодержащее вещество, выделяемое бактериями рода Xanthomonas, почему оно и названо «ксантаном». Но сначала воду смешивают с поверхностно-активным («мыльным») веществом и смесь закачивают в нефтеносные породы, для того чтобы высвободить нефть из пор. Причем подобное «мыло» могут образовывать и сами бактерии. Только после этого заканчивается ксантановая вода, которая посредством высокого давления выдавливает нефть из буровой скважины. Существуют также проекты «закачки» микроорганизмов непосредственно в нефтеносные пласты при условии обеспечения их кислородом; при участии этих бактерий будут вырабатываться газы, которые благодаря создаваемому ими давлению заставят нефтяные источники «фонтанировать» более энергично.
Ксантан относится к самым первым продуктам, полученным в биореакторе, которые прежде были неизвестны. Пока что молодая биотехнологическая промышленность поставляет лишь некоторые из подобных новых «биопродуктов». Но уже сегодня они демонстрируют грандиозные возможности биопромышленности будущего.
Новые продукты биопромышленности
«Старая» и «новая» биотехнология
Огромная масса потребляемых нами продуктов — это биопродукты; они ещё и сегодня производятся по проверенной тысячелетиями технологии, разработанной нашими далёкими предками. Как уже говорилось в начале нашей книги, очень давно человек заставил работать на себя бактерии, дрожжи и другие микроорганизмы. Ежегодно во всём мире при участии микроорганизмов производятся примерно 100 млн т хлеба и хлебобулочных изделий, 100 млн т пива, 40 млн т вина, 10 млн т чистого спирта, 8 млн т сыра, 800 000 т уксусной эссенции и свыше 1 млн т пекарских дрожжей. Именно «трудом» микробов сегодня создаются гигантские количества этих продуктов, имеющих высокую стоимость.
Задействовав древние биотехнологические процессы, человек не догадывался, как и отчего они функционируют подобным образом. Лишь нашему современнику благодаря достижениям в области биологии удалось понять причинные связи в большинстве этих процессов. Теперь довольно подробно изучено, какие виды микробов могут быть использованы для определённых назначений, как «функционируют» сами микроорганизмы, как их ферменты обусловливают в минимальном (клеточном) объёме сложнейшие превращения веществ.
В отличие от старых биотехнологических производств в современной биотехнологии микробы используются осознанно и необычайно интенсивно: средствами селекции, фузии клеток и генной инженерии созданы высокопродуктивные штаммы микробов, которые по производительности тысячекратно превосходят своих природных «собратьев». Более того, создаются новые микробы, вырабатывающие в большом количестве вещества «высших» живых существ и человека. Микроорганизмы, трансформированные генно-инженерными методами, могут вырабатывать даже такие вещества, которых вообще не существует в природе. Для получения новых веществ наряду с микробными клетками в биотехнологии во всё возрастающем количестве применяются также «более высокоорганизованные» клетки и ткани растений, животных и человека, «работающие» в питательных растворах вне организма, и, более того, даже отдельные части клеток.
Какие же компоненты клеток можно с наибольшей пользой применить для преобразования веществ вне клеток? Конечно, ферменты, эти биологические катализаторы клетки, которые обусловливают, регулируют и направляют все реакции, происходящие в клетке! По причине крошечных размеров и огромной эффективности их нередко называют «добрыми гномами» клетки.
«Добрые гномы» в домашнем хозяйстве и в промышленности
Переваривание (утилизация) крахмала и белков происходит у людей и микробов одинаково, с помощью ферментов. В клетках и тех, и других работают амилазы, расщепляющие крахмал, и протеазы, расщепляющие белки. Кроме того, клетки способны выделять ферменты и в окружающую среду. У человека и высших млекопитающих ферменты выделяются, в частности, клетками поджелудочной железы в кишечник. Здесь крахмал и белки разлагаются на свои строительные «блоки» — сахара и аминокислоты — и легко усваиваются клетками кишечника. В свою очередь у микроорганизмов выделенные наружу амилазы и протеазы расщепляют крахмал и белки в непосредственной близости от микроорганизмов, и микробы поглощают потом «переваренные снаружи» строительные блоки.
Вскоре после того, как было установлено действие пищеварительных ферментов, удалось выделить секрет [27] поджелудочной железы свиньи, который в высушенном и измельчённом виде стали применять при расстройствах пищеварения.
Но если амилазы и протеазы так хорошо работают и вне клеток человека и микробов, то почему бы не попробовать применить их для других целей?
Уже в 1907 г. у Отто Рема, владельца небольшой фирмы, возникла гениальная идея. Известно, что содержащие белок пятна от пота, крови, яичного желтка или других пищевых остатков удаляются с белья с большим трудом. Рем предложил добавлять к обычному моющему средству порошок, полученный из поджелудочной железы свиньи. При замачивании сильно загрязнённого белья в этом «ферментном» моющем средстве был получен удивительный эффект — пятна легко отмылись, так как протеазы поджелудочной железы расщепили белки на аминокислотные строительные «блоки». Так впервые было изготовлено моющее средство с биодобавками. Однако своё победное шествие моющие «биопорошки» начали лишь спустя 50 лет, когда взамен дорогого и не очень стабильного животного фермента удалось наладить массовое и дешевое микробиологическое производство подобных протеаз, в основном штаммов Bacillus. Эти Bacillus в отличие от большинства микробов предпочитают щелочную среду. И их протеазы лучше всего действуют в щелочных жидкостях, следовательно, они наиболее активны в мыльном растворе.
Сегодня около 80 % всех выпускаемых моющих средств содержат протеазы. В 1980 г. во всём мире было получено около 50 т бактериальных протеаз для биомоющих средств. При этом ферменты содержатся в моющих средствах буквально в «следовых» количествах [28]: на 1 кг моющего средства приходится 0,1 г фермента [29]. И даже при таких малых биодобавках сильно загрязнённое белье становится чистым. Ферменты моющих средств наиболее активны в температурном интервале 40—60 °С. Таким образом, они ещё помогают сэкономить энергию, которая в противном случае понадобилась бы для кипячения сильно загрязнённого белья. Впрочем, при полоскании ферменты вновь удаляются из белья.
