Биотехнология: что это такое? - Вакула Владимир Леонтьевич
Разработан метод учеными Института биохимии и физиологии микроорганизмов АН СССР, и тот же исследовательский коллектив продолжает его совершенствование, теперь уже с целью создания промышленной установки. Ученые еще не завершили своих многотрудных работ, а микробиологическая промышленность уже связывает с ними надежды. Так нужен ей способ, позволяющий наладить более массовое производство столь необходимого отечественному животноводству растительного сырья, обогащенного микробной биомассой.
По сути дела, на сегодняшний день, когда животноводство страны располагает мощным селекционно-генетическим потенциалом, для его резкой интенсификации необходимо единственное — высокобелковый, сбалансированный по аминокислотам корм. А его могут дать только две отрасли народного хозяйства — растениеводство и микробиологическая промышленность. Значит, и развитие последней должно считаться задачей общегосударственного значения, в скорейшем решении которой заинтересованы все.
И хочу подчеркнуть еще раз прежде всего — в производстве кормового белка. Недаром на состоявшемся в Центральном Комитете нашей партии в конце мая 1988 года совещании по развитию химического комплекса страны в качестве одной из важнейших задач было выдвинуто удвоение мощностей по производству кормового микробиологического белка путем строительства новых предприятий в различных регионах Советского Союза.
Но что еще, помимо кормового белка, производит современная микробиологическая промышленность? Витамины и стимуляторы роста, антибиотики и гормональные препараты, микробиологические удобрения и средства защиты полей от сельскохозяйственных вредителей. И несть числа отраслям, областям и направлениям науки, техники, народного хозяйства, где они применяются. Одним словом, любая промышленность, основывающаяся на последних достижениях естественных наук, как говорится, кровно заинтересована и в успехах всей биотехнологии, и микробиологического синтеза, в частности. Но раз заинтересована, значит, не может бесстрастно относиться и к проблемам, над которыми данная отрасль работает.
Вот, например, одна из них, не решив которую чрезвычайно трудно наращивать мощности современных микробиологических предприятий. Суть ее в том, чтобы как можно быстрее внедрить в производство наиболее рациональный способ разделения находящихся в ферментере отработавших свое клеток от культуральной жидкости. Ведь бактерии, как все живые организмы, рождаются, производят на свет себе подобных и отмирают. Как же отделить их от той среды, где проходил их собственный жизненный цикл и продолжает осуществляться аналогичный цикл потомства?
Задача усугубляется тем, что концентрация полученного продукта или самих клеток (если они являются конечной целью производства) в культуральной жидкости, как правило, невелика. И чтобы извлечь их из больших объемов питательных сред, приходится перерабатывать тонны субстрата. Такие затраты тяжким грузом ложатся на экономику всего производства. Так или иначе, но стоимость процесса концентрирования искомого продукта, находящегося в культуральной жидкости, составляет иногда до половины его себестоимости. Вот почему создание недорогого, эффективного метода выделения микробных клеток и продуктов биосинтеза из содержимого ферментера стало одним из условий дальнейшего совершенствования микробиологической промышленности. Но как и с чего именно приступить к решению проблемы? С ее изучения, с поиска уже найденных когда-то решений аналогичных данной задач. Неплохо бы при этом еще и посмотреть, не встречалось ли уже человечество в своей хозяйственной деятельности с нечто подобным. Может, разгадка-то уже давным-давно найдена?
Так оно и оказалось. Виноделам и пивоварам, например, испокон веков известно, что в конце процесса брожения пиво и вино мутнеют. Осветлить их можно довольно просто — убрать из жидкости выпавшие на дно крупные хлопья, представляющие собой не что иное, как слипшиеся клетки дрожжей, завершивших свой жизненный цикл. Но дрожжевая клетка — одна из «героинь» микробиологической промышленности. Так почему бы не воспользоваться особенностями ее развития, заставляя каждый раз выпадать в осадок уже отработавшие клетки?
Но микроскопические клетки, находясь в ферментере в постоянном движении, не слипаются, а значит, вес их не растет, и они оказываются слишком легкими для того, чтобы в силу собственной тяжести упасть на его дно. Такие клетки настолько малы по размерам, что свободно проходят сквозь самые мелкие сита. Их трудно отделить от культуральной жидкости даже с помощью сепаратора. Значит, выхода из создавшейся ситуации нет?
Почему же? Он существует. Известно, например, что специалисты, работающие над проблемой очистки сточных вод, давно и успешно используют метод биологической очистки. Делается это с помощью так называемого активного ила, представляющего собой сообщество микроорганизмов. Входящие в него бактерии тоже имеют склонность к слипанию в крупные агрегаты, после того как завершат очистку воды. «Вот бы наделить таким удивительным даром все микроорганизмы», — невольно думаешь, наблюдая результаты проделанной ими работы.
Что ж, может быть, придет время, и методы генетической инженерии позволят это сделать. Пока же положение вещей следует оценивать более реалистично, а значит, и поиск решения задачи нужно вести в ином направлении. Ну почему бы, скажем, не попытаться создавать бактериям такие условия, которые если и не пробудили б в них склонности к слипанию, то устранили бы силы, ему препятствующие? Тем более что эти силы известны — одноименные электрические заряды поверхностей клеток. Нейтрализуй их — и клетки тотчас слипнутся, а затем выпадут в осадок.
Нейтрализовать заряды несложно: химикам прекрасно известно, что добавление в коллоидный раствор электролита вызывает процесс коагуляции (слипание частиц). А что, как не коллоидный раствор — культуральная жидкость ферментера? Электролитом же может служить кислота, соль. Да вы и сами не раз наблюдали в жизни процесс коагуляции. Знаете, как скисает молоко? Это воздействует на коллоидную систему (молоко) электролит — молочная кислота, вырабатываемая в процессе жизнедеятельности бактерий. Так что же — решение найдено?
К сожалению, опять нет. Потому что среди микроорганизмов есть немало таких, которые не поддаются коагуляции или коагулируют только в присутствии солей металлов, а они, как правило, для клеток токсичны.
Между тем решение проблемы все же существует. По крайней мере, о нем знали индусы еще в I тысячелетии до нашей эры, осветлявшие мутную воду с помощью соков некоторых растений. Правда, древние жители Индии и не подозревали о том, что пользуются естественными полимерами, но суть дела от этого не менялась: вода становилась прозрачной. Сегодня метод концентрирования тонкодисперсных суспензий (жидкость, в которой во взвешенном состоянии плавают твердые частицы) с помощью полимеров нашел довольно широкое применение, а выпадающие в осадок под их воздействием клетки получили название флокул, что в переводе с латыни означает «хлопья». Полимеры же, вызывающие процесс выпадания, именуются соответственно флокулянтами.
Человек в халате кормит птиц
Что же происходит в растворе под воздействием флокулянта? Все то же прилипание. Макромолекулы полимера прилипают к поверхности клетки. Иногда полимер «приклеивается» сразу к нескольким клеткам, и между ними образуются своеобразные мостики, соединяющие в агрегаты тысячи микроклеток.
Аналогичный процесс известен и в биологии. Это так называемая агглютинация — слипание бактериальных клеток, попавших в организм человека или животного. Вызывается он реакцией защитных белков-иммуноглобулинов на вторжение чужака. Однако у биотехнологов свои и, надо сказать, весьма строгие требования к флокулянту. Даже полное отсутствие его собственной токсичности отнюдь не означает «добро» на использование данного полимера в микробиологическом производстве ведь он может оказаться токсичным для птиц и животных, потребляющих продукцию микробиологического синтеза. И для человека, замыкающего этот конец трофической цепи.
