Глава 27 Микробиология — основа новейших технологий

Глава 27

Микробиология — основа новейших технологий

Всякая наука черпает свои права на существование в возможности так или иначе оказаться полезной человечеству в качестве науки прикладной.

В. Оствальд

Прошло уже достаточно времени с тех пор, как человек начал последовательно и настойчиво исследовать природу. Каждое новое крупное открытие знаменует собой новую эпоху и вооружает человека новыми возможностями для еще более полного подчинения природы его нуждам.

Успехи атомной физики, физики полупроводников и химии полимеров на какое-то время затмили свет знаний, исходящий от исследований живых объектов. Изучение принципов их устройства и функционирования, которые до недавнего времени были уделом рассеянных чудаков, со временем стало приносить свои плоды.

Вообще следует заметить, что в науке и технике по мере более глубокого проникновения в суть вещей и явлений наблюдается все большее приближение к природным «техническим устройствам». И если пока технический уровень изделий, изготовленных человеком, или эффективность технологических процессов все же отстают от природных аналогов, то поневоле напрашивается мысль использовать их в готовом виде. В этом, возможно, и заключается основной смысл биотехнологических подходов.

Человечество давно использует для своих нужд оба биологических царства — растительное и животное. Сейчас наступило время, когда мы вплотную подошли к тому, чтобы извлекать пользу из всех возможностей третьего биологического царства — царства микроорганизмов.

На первых этапах его освоения человечество следовало проторенной дорогой, копируя опыт использования возможностей мира растений и животных и получая главным образом продукты питания. Со времен Левенгука до нашего времени микробиология прошла большой путь: от не имеющих никакого практического применения наблюдений за таинственным миром «анималькулей» до получения с помощью микроорганизмов различных веществ, производство которых достигает сотен и тысяч тонн. Но это только первый этап освоения возможностей царства микроорганизмов, которые обладают значительно б?льшими возможностями: с их помощью можно попытаться разработать не имеющие аналогов технологии. Ниже мы рассмотрим некоторые возможности микроорганизмов, которые открыли новую эру — эру биотехнологии. Следует отметить, что имеются в виду не только микробиологические способы получения в больших количествах различных веществ. Биотехнология — это базовая основа новейших технологий, остро необходимых человечеству уже сейчас.

Какие же требования к ним предъявляются? Прежде всего, они должны быть экологически чистыми или безотходными, энергосберегающими и, наконец, экономически выгодными.

Давайте же вместе посмотрим, удовлетворяют ли этим требованиям некоторые прикладные направления микробиологии и биотехнологии.

Начнем с энергетики. В течение длительного времени человек получал энергию за счет сжигания древесины. Однако этот путь уже не мог удовлетворить его растущие энергетические потребности. Проблема была решена за счет ископаемого топлива, ставшего в настоящее время одним из основных источников энергии.

В главе, посвященной геологии, мы останавливались на биотехнических приемах использования микроорганизмов при разработке месторождений нефти и угля. Но ископаемого топлива становится все меньше. За каких-то 200 лет эффективного использования его запасы еще не исчерпаны, но оставшееся количество заставляет всерьез задуматься о других источниках энергии. И здесь на помощь приходят микробиологические способы получения спиртов из возобновляемых источников сырья (подробно этот вопрос освещен в главе 26 «Микробы вытесняют бензин»). Здесь хотелось бы добавить, что этот путь доведен до уровня промышленной эксплуатации, что позволило, например, Бразилии начиная с 1991 г. ежегодно экономить $3,5 млрд за счет снижения импорта нефти и нефтепродуктов. Это яркий пример, иллюстрирующий экономические возможности биотехнологии.

Использование метанола и этанола в качестве моторного топлива или добавок к нему иллюстрирует существенный вклад микробиологии в решение энергетической проблемы. Однако более перспективными, по всей вероятности, являются биотехнологические способы производства энергии, основанные на получении водорода из возобновляемых источников и его утилизации в биотопливных элементах, обладающих высоким КПД. Еще одним основанием для такой точки зрения является экологическая чистота водородной энергетики.

Биотехнология позволяет одновременно решать как энергетические, так и экологические проблемы. Так, микробиологическая переработка органических отходов, решая задачу охраны окружающей среды, позволяет получать биогаз, не уступающий по калорийности природному. Получение этого газа, образующегося при метановом брожении органических отходов, не требует ни разведки, ни бурения скважин, ни прокладки многокилометровых газопроводов. В результате стоимость биогаза оказывается ниже стоимости природного. Кроме того, его производство, по крайней мере в обозримом будущем, обеспечено сырьевой базой, каковой являются органические отходы городов. Их общая масса, пригодная для производства этанола, только в США составляет около 1 млрд тонн. Утилизация органических отходов микробиологическим способом и сама по себе экологически чиста, так как практически безотходна: получаемые отходы в виде шлама могут быть использованы как удобрения и, таким образом, включены в биологический цикл. Однако не следует забывать, что сама микробиологическая промышленность является в свою очередь источником экологических загрязнений. Действительно, производство кормовых дрожжей только в нашей стране составляет 1,5 млн тонн. Естественно, что при таких масштабах довольно велики и отходы. Культуральная жидкость после отделения дрожжей содержит значительное количество минеральных веществ, витаминов и продуктов метаболизма. Как их использовать? Каковы вообще пути создания экологически чистых или безотходных производств?

Здесь опять образцом для подражания служит живая природа. Рассматривая схему метаболических путей (последовательность превращений веществ в клетке), мы видим, что одно вещество является субстратом для определенной ферментативной реакции, а вновь полученный продукт, в свою очередь, служит субстратом для последующей.

Аналогичная последовательность должна быть создана и в системе безотходного производства. Отходы одного производства должны служить сырьем (основой) для следующего, и так до тех пор, пока в результате не получатся вещества, не обладающие негативным воздействием на экологическую ситуацию.

Однако создать такую же ферментативную «мельницу» для разрушения экологически опасных субстратов до углекислого газа и воды довольно затруднительно. Можно, правда, попытаться использовать в этих целях различные группы микроорганизмов, биохимическая активность которых последовательно соединяется в процессы, проходящие в биохимической «мельнице» клетки.

Так, отходы, получаемые при культивировании дрожжей и остающиеся после их сепарации, можно использовать для культивирования других микроорганизмов, а отходы, остающиеся после этого (второго) культивирования, послужат субстратом для метанового брожения. И, наконец, отходы метанового брожения тоже могут быть с успехом утилизированы, правда, уже не для выращивания микроорганизмов.

При добавлении в бетон метановой бражки в количестве 0,3 % от массы замеса его прочность увеличивается на 40 %, на 12 % уменьшается расход воды, возрастает морозоустойчивость и увеличивается расплыв конуса — важнейшая характеристика бетона.

Таким образом, есть способ избавиться от отходов различных брожений, используя их в качестве пластификаторов бетона. Для этих целей можно применять мелассу, последрожжевую барду и уже описанную выше метановую бражку. Эти отходы микробиологического производства, будучи замешенными в бетон, теряют экологически негативное влияние и, кроме того, придают ему дополнительные положительные качества.

Не менее существенна роль микробиологии в борьбе с антропогенными загрязнениями (см. главу 15 «Всеядные»).

В Англии удалось выделить микроорганизмы, превращающие полихлорвиниловые пленки в углекислый газ. Для этой цели не только выделяются или конструируются методами генетической инженерии соответствующие микроорганизмы, но и предлагаются новые биотехнологические решения. Так, шведские ученые решили еще при производстве пластмасс вводить в них находящиеся в состоянии анабиоза микроорганизмы, которые затем через определенное время или в зависимости от изменившихся окружающих условий (температуры, влажности, кислотности) активизируются и, интенсивно развиваясь, разрушают пластмассу, которая служила им временным убежищем. Уже сейчас в Европе используют пластиковые пакеты, на каждом из которых есть подпись: Се sac est 100 % oxo-biod?gradable. SA dur?e de vie est limit?e dans le temps. Apr?s d?gradation, il devient bio-assimilable. (Этот пакет полностью биодеградабельный. Длительность его жизни ограничена во времени. После разрушения он ассимилируется.)

Замена существующих технологий на биотехнологические предполагает максимально приблизить эти процессы по уровню безотходности к биологическим, где «отходом» являются углекислый газ и вода.

Биотехнология — это не только новые способы производства, но и качественно новые возможности обеспечения предприятий необходимыми средствами контроля. Например, аналитические возможности ферментативных датчиков таковы, что не требуется практически никакой подготовки анализируемого образца. Высочайшая избирательность позволяет проводить количественный анализ почти мгновенно, что дает возможность осуществлять действительно оперативный контроль и управление технологическими процессами. Устройство для анализа — так называемый «биосенсор», или ферментативный электрод, представляет собой интегральную схему с нанесенной пленкой, содержащей определенный фермент, при взаимодействии которого с исследуемой жидкостью изменяются электрические характеристики схемы, которые могут быть выведены на индикаторный прибор или непосредственно использованы в качестве управляющего сигнала.

Естественно, что оперативное получение информации о характере течения технологического процесса способствует повышению эффективности и является одной из отличительных черт биотехнологии.

Однако было бы неправильно думать, что новые технологии базируются в основном на использовании биохимической активности микроорганизмов. Не менее важным в создании новых технологий может оказаться использование биологических мембран, роль которых в жизнедеятельности живых организмов и микроорганизмов трудно переоценить. Если бы удалось создать и использовать в технологии методы разделения веществ с использованием биологических мембран или их аналогов, то это позволило бы в значительной степени обновить и существенно интенсифицировать способы разделения веществ, снизив при этом энергетические затраты на проведение этих процессов.

Более того, если бы удалось решить вопросы управления проницаемостью таких мембран (что и происходит в живой клетке), то на базе полупроницаемых мембран можно было бы создавать системы, аналогичные гибким технологическим системам в промышленности. Пока методов работы с биомембранами не разработано, ведь сначала должны быть предложены способы их выделения из нативных клеток, а также стабилизации. Исследования пленочного роста микроорганизмов позволили обнаружить не только удивительные механические свойства этих пленок (об этом упоминалось в главе 5), но и особенности контактов микроорганизмов друг с другом. Это позволило ученым из Массачусетского технологического университета увеличить мощность топливных элементов в несколько раз. При этом пленка функционировала как единая токопроводящая система, объединяющая индивидуальные потоки электронов, производимые отдельными клетками.

Однако уже работают мембраны — аналоги живых мембран. Можно ли отнести эти технологии к биотехнологии? И да и нет. Но в конце концов неважно, как мы назовем эти новейшие технологии разделения, — главное, что они используют принципы, близкие к биологическим, и на основании этого (хотя и условно) могут быть отнесены к биотехнологическим процессам.

Помимо возможного использования биомембран реальный интерес представляет применение внутриклеточных органелл микробной клетки, в частности, магнитосом. По сути они представляют собой маленькие магнитики, образующиеся внутри бактериальной клетки. В последнее время возникла потребность в магнитоуправляемых частицах для использования в диагностике и при лечении некоторых заболеваний.

Так, присоединение к антителам магнитных частиц вместо молекул флуоресцентных красителей примерно в 100 (!) раз повышает чувствительность методов выявления специфических белков, используемых для диагностики.

Кроме того, магнитные частицы применяются для гипертермии. Суть этого метода в том, что микромагниты можно с помощью магнитов или под действием магнитных полей направлять в нужный орган и удерживать там, а облучая их высокочастотным электромагнитным полем, вызывать локальный точечный нагрев, приводящий к гибели окружающих магнит клеток раковой опухоли.

Производство магнитных частиц одинаковой формы и размера — достаточно сложная задача, особенно если они измеряются нанометрами. И это только часть задачи: нужно еще покрыть каждую частицу белковой или углеводной оболочкой, к которой можно будет «привязать» химическими связями антитело.

Между тем есть другой, микробиологический путь получения таких магнитных частиц. Известно, что некоторые бактерии (такие как, например, Magnetospirillum magneticum) способны извлекать железо из окружающей среды и синтезировать магнитные частицы, причем со значительно меньшим разбросом по величине и форме, чем при физико-химическом синтезе, и, кроме того, уже покрытые биологической мембраной. Вдобавок ко всему возможности генетической инженерии позволяют осуществлять синтез магнитных частиц с уже прикрепленными к ним антителами.

Таким образом, биотехнология позволяет получать магнитные частицы с различными антителами и использовать их для точной «адресной» доставки лекарств, радионуклидов или «тепловых бомб» к пораженным органам и даже клеткам и осуществить наконец мечту Пауля Эрлиха о «магической пуле».

Биотехнология может умело извлекать пользу не только из различных свойств микроорганизмов, но из самого факта их широкого распространения.

Рассмотрим один из таких примеров. Известно, что растения в принципе способны выдерживать снижение температуры до -6 °C. Однако в действительности серьезные поражения растительных тканей листьев, например, апельсиновых деревьев наступают при минусовых температурах, близких к нулю. Дело в том, что на поверхности листьев образуются кристаллы льда, разрушающие их ткань. Микробиологи из Калифорнийского и Колорадского университетов, изучая вопросы морозоустойчивости цитрусовых, установили, что центрами кристаллообразования льда служат бактерии Erwinia herbicola и Pseudomonas viringa. Если бы удалось убрать с поверхности листьев эти бактерии, то удалось бы сократить довольно значительные потери от заморозков. Ученые выделили вирусы, которые, интенсивно размножаясь, лизируют указанные бактерии, и растения переживают период похолодания со значительно меньшими поражениями, конечно, если температура не опускается ниже -6 °C. По расчетам ученых, можно избежать ежегодных миллиардных убытков при использовании этих вирусов. Обработка ими растений уже широко применяется.

Интересно использование в качестве инсектицида мицелия грибов Mefarhizium anisopliae. Он продуцирует вещества, привлекающие насекомых. Поедая мицелий, они заражаются спорами гриба, который, прорастая в теле насекомых, убивает их. Это метод имеет огромные преимущества перед традиционными инсектицидами как в экономическом, так и в экологическом аспектах.

Заканчивая эту главу, следует еще раз подчеркнуть, что биотехнология, и это очевидно, в ближайшее время окажет серьезное воздействие на решение многих технических проблем и на проведение технологических процессов.

Изумительное совершенство и тончайшая согласованность работы уникальных и, увы, пока неповторимых механизмов получения энергии, кодирования и декодирования информации, проведения сложнейших химических синтезов с участием созданных для этой цели катализаторов-ферментов позволяет микробной клетке опережать даже новейшие достижения энергетики, вычислительной техники и химической технологии.

В приведенных нами примерах использования биотехнологических приемов так или иначе переплетаются проблемы экономики и энергетики, энергетики и экологии, экологии и экономики. Поневоле напрашивается вывод, что именно биотехнология является тем мечом, с помощью которого можно разрубить гордиев узел, в который эти проблемы переплелись в современном мире.

Пройдет еще несколько лет, и во многих областях техники появятся новинки, в основе которых будут лежать биологические системы. Мы стоим на пороге эпохи биотехники и биотехнологии и одной ногой уже через него перешагнули.