Страница - 24

Глава 13. МИКРОБИОЛОГИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ

§ 44. Общая схема биотехнологического производства, ее значение

Цели изучения этой темы: описать общую схему биотехнологического процес­са на примере производства инсулина, приводить примеры продуктов, полу­чаемых а биотехнологии.

Что такое ДНК? Кто открыл ее структуру? Для чего нужна эта молекула? Как она выглядит?

Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 29 данного учебника.

Использование биотехнологии в селекции животных. Дальнейшее совершенствование селекции животных возможно на основе широкого использования методов биотехнологии (рис. 68, 69). Применение мето­да трансплантации ранних эмбрионов позволило резко увеличить число потомков от особо ценных по продуктивности особей. Основное преиму­щество этого метода заключается в ускорении процесса селекции, состав­ляющего 20-40%. В настоящее время в некоторых странах ежегодно по­лучают более 100 тыс. телят-трансплантантов.

Важнейшей проблемой биотехнологии животных является разработка методов клонирования, генетического копирования животных. В 1997 г. в Шотландии под руководством доктора И. Ушмута впервые сумели произвести клон овцы по кличке Долли, точную копию ее генетической мате­ри. В США наивысшего достижения добились в 1997 г., когда родился пер­вый теленок по кличке Ген, получен­ный от клонирования особых эмбрио­нальных клеток.

В целом проблема клонирования сельскохозяйственных животных - одно из важнейших направлений био­логии, развитие которого позволит су­щественно активизировать процессы современной селекция.

Современная микробиологическая промышленность является фундамен­том биотехнологии, имеющей прак­тически необозримые перспективы использования процессов микробного

синтеза для производства биологически активных веществ на индустриальной основе. Это подтверждают объемы и темпы ее развития. Около 70% от общего объема составляет продукция, необходимая для развития сельского хозяйства. Это кормовые добавки и препараты, повышающие продуктивность скота и птицы, бактериальные удобрения, бактериальные, вирусные и другие препараты для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений.

Кроме сельского хозяйства, крупными потребителями продукции мик­робиологической промышленности являются другие отрасли агропромыш­ленного комплекса, медицина, химическая и легкая промышленность.

Нашлось применение бактериям и в металлургии. Традиционная технология выплавки металлов не позволяет использовать бедные или сложные по составу руды. Биотехнология металлов основана на способ­ности бактерий окислять металлы и переводить их из руды в раствор. При окислении сульфидных минералов в раствор переходит большин­ство цветных металлов. Таким способом человечество получает ежегодно сотни тысяч тонн меди. Подобным образом с помощью бактерий полу­чают золото, серебро, уран. Себестоимость биотехнологической «плавки» в два-три раза ниже традиционной.

Объекты биотехнологии и их биотехнологические функции. Микро­организмы как биотехнологические объекты находятся на разных ступе­нях организации:

• субклеточные структуры - вирусы, плазмиды (генетические элемен­ты), ДНК митохондрий и хлоропластов, ядерная ДНК;
• бактерии и цианобактерии;
• грибы;
• водоросли;
• простейшие;
• культуры клеток растений и животных;
• растения - низшие (анабена, азолла) и высшие: рясковые.

Некоторые уксуснокислые бактерии превращают этанол в уксусную кислоту, а уксусную кислоту - в углекислый газ и воду. Одни анаэроб­ные бактерии, образующие споры, сбраживают сахара в ацетон, этанол, изопропанол и n-бутанол, другие виды могут также сбраживать крахмал, пектин и различные азотсодержащие соединения.

Представители некоторых родов молочнокислых бактерий превра­щают углеводы в молочную кислоту, этанол и углекислый газ. Молоч­нокислые бактерии рода стрептококкус продуцируют только молочную кислоту, а брожение, осуществляемое представителями рода лактоба- циллус, позволяет получить наряду с молочной кислотой ряд других продуктов.

Промышленное значение имеют и непатогенные почвенные виды: одни служат источником лизина, другие используются для микробного выще­лачивания руд и утилизации гарнорудных отходов.

Широко используется такое свойство некоторых бактерий, как диазо трофностъ, т. е. способность к фиксации атмосферного азота.

Выделяют две большие группы диазотрофов:

• симбионты: без корневых клубеньков (азотобактер - лишайники, азоспириллум - лишайники, анабена - лишайники, азолла), с корневыми клубеньками (бобовые - ризобии; ольха, лох, облепиха - актиномицеты);
• свободноживущие: гетеротрофы (азотобактер, клостридиум, мети- лобактер), автотрофы (хлоробиум, родоспириллум и амебобактер).

Микробные клетки используют для трансформации веществ.

Бактерии также широко используются в генно-инженерных мани­пуляциях при создании разных геномов, введении генов в растительные клетки (агробактерии).

Производство инсулина - одна из биотехнологических манипуляций, широко используемых во многих странах. Ее схема проста. В качестве исходного организма объекта был взят один из штаммов бактерии кишеч­ной палочки человека. Предварительно выделенный ген человеческого инсулина многократно клонировали. Затем к этим копиям гена инсули­на встроили нуклеотидную последовательность по типу вирусной. Мо­дифицированный таким образом ген «вшили» в ДИК бактерий. Причем в одном случае для этих целей (экспериментальных) использовали фермен­ты, «разрезающие» и «сшивающие» ДПК. А впоследствии использовали в качестве «вектора» - системы, которая встроила ген инсулина человека в ДНК бактерии - определенный фрагмент вируса. Попавшая в ДНК бак­терий конструкция заставляет клетку бактерии активно синтезировать инсулин человека. Самым замечательным является то, что все поколения этих генно-модифицированных бактерий также производят человеческий инсулин, как и самые первые лабораторные экземпляры. Учитывая, что в благоприятных условиях клетки бактерий размножаются каждые 20 мин, их можно получать в огромном количестве. Конечно биотехно- логичное производство инсулина требует стерильности, создания опти­мальных по цене и качеству питательных сред для бактерий. Но в целом такой инсулин в разы дешевле и неоценимо качественней произведенного из клеток поджелудочной железы забитых коров и свиней.

Производственные штаммы микроорганизмов должны соответство­вать определенным требованиям: способность к росту на дешевых пи­тательных средах, высокая скорость роста и образования целевого про­дукта, минимальное образование побочных продуктов, стабильность продуцента в отношении производственных свойств, безвредность про­дуцента и целевого продукта для человека и окружающей среды. В связи с этим все микроорганизмы, используемые в промышленности, проходят длительные испытания на безвредность для людей, животных и окру­жающей среды. Важным свойством продуцента является устойчивость к инфекции, что существенно для поддержания стерильности, и фаго- устойчивость.

Все цианобактерии обладают способностью к азотфиксации, что дела­ет их весьма перспективными продуцентами белка. Анабена - нитчатая синезеленая водоросль. Нити из более или менее округлых клеток содер­жат гетероцисты и иногда - крупные споры. По всей длине нить одинако­вой толщины. В цитоплазме клеток откладывается близкий к гликогену запасной продукт - анабенин.

Такие представители цианобактерий, как носток, спирулина, три- ходесмиум, съедобны и непосредственно употребляются в пищу. Посток образует на бесплодных землях корочки, которые разбухают при увлаж­нении. В Японии местное население использует в пищу пласты ностока, образующиеся на склонах вулкана, и называет их ячменным хлебом Тен­гу (Тенгу - добрый горный дух).

Свое шествие спирулина начала из Африки. Население района озера Чад давно употребляет ее в пищу, называя этот продукт «дихе». Другое место, где широко распространена спирулина (иного вида), - воды озера Тескоко в Мексике. Еще ац­теки собирали с поверхности озер и употребляли в пищу слизистую массу этой синезеленой водоросли. Впервые галеты «текуитлатл» упомянуты испанцем Касти­льо в 1521 г. Эти галеты продавались на базаре в Мехико и состояли из высушен­ных слоев водоросли.

В 1964 г. бельгийский ботаник Ж. Леонар обратил внимание на галеты сине-зеле­ного цвета, которые местное население изготавливало из водорослей, растущих в щелочных прудах вокруг озера Чад. Эти галеты представляли собой высушен­ную массу спирулины. Анализ показал, что в ней содержится 65% белков (больше, чем в соевых бобах), 19% углеводов 6% пигментов, 4% липидов, 3% волокон и 3% золы. Для белков этой водоросли характерно сбалансированное содержание ами­нокислот. Ее клеточная стенка хорошо переваривается.

Как озеро Тескоко, так и водоемы района озера Чад имеют очень высокое содер­жание щелочей. Характерно, что в таких озерах спирулина полностью доминирует и растет почти как монокультура - составляет в отдельных озерах до 99% общего количества водорослей. Растет спирулина в щелочной среде при pH вплоть до 11. Ее собирают также из озер около г. Мехико, получая до 2 т сухого веса биомассы в сутки. Эта продукция поставляется в США, Японию, Канаду.

В других странах спирулину культивируют обычно в искусственных водоемах или спе­циальных емкостях. Ее можно культивировать в открытых прудах или, как в Италии, в замкнутой системе из полиэтиленовых труб. Урожайность очень высокая - до 20 г сухой массы с 1 м² в день. Расчеты на год показали, что она превысит выход пшеницы примерно в 10 раз.

Преимущества спирулины по сравнению с другими съедобными водорослями не только в простоте культивирования, но и в простоте сбора биомассы, ее высу­шивания, например под солнцем. Недавно было показано, что в клетках спирули­ны, помимо ценного белка, углеводов, липидов и витаминов, в значительных количествах запасается, например, такое ценное вещество, как поли-b-оксибутират. На основе этой цианобактерии фармацевтическая промышленность выпускает препарат «Сплат». Он содержит комплекс витаминов и микроэлементов и приме­няется как общеукрепляющее и иммуностимулирующее средство.

Использование грибов в биотехнологии. Биотехнологические функ­ции грибов разнообразны. Их используют для получения таких продук­тов, как:

• антибиотики (пенициллы, цефалоспорины);
• гиббереллины и цитокинины (фузариум и ботритис);
• каротиноиды (астаксантин, придающий мякоти лососевых рыб красно-оранжевый оттенок, добавляют в корм на рыбозаводах);
• белок;
• сыры типа рокфор и камамбер (пенициллы );
• соевый соус.

К грибам относятся дрожжи и плесени. Из 500 известных видов дрожжей первыми люди научились использовать сахаромицеты. Этот вид наиболее интенсивно культивируется. Дрожжи, сбраживающие лактозу, используют для получения спирта из сыворотки.

Плесени вызывают многочисленные превращения в твердых средах, которые происходят перед брожением. Их наличием объясняется гидро­лиз рисового крахмала при производстве саке и гидролиз соевых бобов, риса и солода при получении пищи, употребляемой преимущественно в странах Азии. Пищевые продукты на основе сброженных плесневыми грибами соевых бобов или пшеницы содержат в 5-7 раз больше таких витаминов, как рибофлавин, никотиновая кислота, и отличаются повы­шенным в несколько раз содержанием белка. Плесени также продуциру­ют ферменты, используемые в промышленности, органические кислоты и антибиотики. Их применяют также в производстве сыров, например камамбера и рокфора.

Искусственное разведение разрушающих древесину и целлюлозу гри­бов получило довольно широкое распространение. Мицелий съедобных грибов выращивают на жидких средах, например на молочной сыворотке и др., в специальных ферментерах.

Простейшие относятся к числу нетрадиционных объектов биотехно­логии. До недавнего времени они использовались лишь как компонент ак­тивного ила при биологической очистке сточных вод. В настоящее время они привлекли внимание исследователей как продуценты биологически активных веществ. В этом качестве рациональнее использовать свободно- живущих простейших, обладающих разнообразными биосинтетическими возможностями и потому широко распространенных в природе.

Особую экологическую нишу занимают простейшие, обитающие в рубце жвачных животных. Они обладают ферментом целлюлазой, спо­собствующей разложению клетчатки в желудках жвачных. Простейшие рубца могут быть источником этого ценного фермента. Возбудитель юж­ноамериканского трипаносомоза - трипаносома стала первым продуцен­том противоопухолевого препарата круцина (СССР) и его аналога трипа- нозы (Франция). Изучая механизм действия этих препаратов, советские ученые (Г. И. Роскин, Н. Г. Клюева и др.), а также их французские коллеги (Ж. Кудер, Ж. Мишель-Брэн и др.) пришли к выводу, что эти препараты оказывают цитотоксический эффект при прямом контакте с опухолью и тормозят ее рост.

 Знание и понимание

1.  Дайте определения. Какое растение в Японии получило название «яч­менный хлеб Тенгу»? Укажите, где оно произрастает.
2. Опишите манипуляции биотехнологий, отвечающих за повышение плодовитости скота.

Применение

1. Опишите функции клонирования. Какова его основная цель?
2. Назовите организмы, которые в сухой массе могут содержать 65% бел­ков и произрастать в концентрации щелочи, равной 11 pH.

Анализ

1. Выскажите ваше мнение о причинах использования бактерий в обра­ботке руд металлов. Объясните, чем этот процесс обработки металла наиболее выгоден.
2. Покажите разницу между продуктами, прошедшими процесс броже­ния типичным и нетипичным способом.

Синтез

1. Дайте общее описание особенностей всех цианобактерий. Объясните, какую роль в биотехнологиях играют цианобактерии.
2. Приведите пример, какой вид дрожжей первым стал использоваться в биотехнологии. Объясните, почему.

Оценка

1. Как вы считаете, является ли спирулина экономически выгодной культурой? Ответ аргументируйте.
2. Оцепите роль биотехнологических исследований.