От пекарни до биофабрики. Обзор достижений биотехнологии - Реннеберг Рейнхард
Виноградный сахар — это ценный продукт питания для грудных младенцев, больных людей, да и для спортсменов, так как он легко и быстро усваивается организмом. Но, к сожалению, он имеет только половинную сладость по сравнению со свекловичным или тростниковым сахаром. Это легко проверить: в двух стаканах воды растворить в одном ложку свекловичного, а в другом ложку виноградного сахара; попробовав «водичку» из того и из другого стакана, можно легко убедиться, что виноградный сахар совсем не даёт привычной сладости.
В таких гигантских биореакторах (высота 30 м, вместимость 240 м3) фирма Киова Хакко (Хофу, Япония) выращивает микробов, которые при участии кислорода ежегодно вырабатывают 20 000 т глутамата — соли глутаминовой кислоты (вкусовая добавка к пищевым продуктам) — и 10 000 т аминокислоты лизина, используемой как кормовая добавка.
Это отнюдь не лаборатория в космосе, а установка для иммобилизации живых дрожжевых клеток на полимерных материалах. Здесь стерильные условия — главное и обязательное требование, поэтому японские служащие надевают защитную одежду.
Биотехнология для лакомок
Кариес — разрушение зубов — одно из самых распространённых заболеваний человека, это своего рода «эпидемия» в современном обществе. Возникновение кариеса обусловлено деятельностью бактерий, которые питаются остатками сладкой пищи в полости рта. В результате бактерии образуют отложения и выделяют кислоты, разрушающие зубную эмаль. Поэтому наиболее частыми «жертвами» кариозных бактерий становятся любители сладостей. Бороться с этими бактериями можно при помощи чистки зубов и укрепления их путём приёма фтора, а также путём сокращения потребления сахара.
Однако почти никто не проявляет большой охоты отказаться от сладкого. Поэтому уж давно идёт поиск таких заменителей сахара, которые бы, не отличаясь от него по вкусу, в то же время не служили пищей кариозным бактериям, а также имели значительно меньшую калорийность (пищевую ценность), благодаря чему не способствовали увеличению массы тела «сластены». Хотя найденные ранее заменители сахара — цикламаты и сахарин — очень сладкие, но всё же они не имеют вкуса «настоящего сахара»[30]. Поиски новых веществ со сладким вкусом продолжаются. Это необходимо не только для лакомок, но и для миллионов больных «сахарной болезнью» (сахарным диабетом), для которых сахар может играть прямо-таки роль яда. Кроме того, к сожалению, всё время возрастает число людей с избыточной массой тела; очень часто причина этого состоит попросту в том, что едят слишком много сахара и жиров. Виноградный сахар, образуемый из крахмала амилазами, видимо, не совсем подходит в качестве заменителя сахара из-за своего недостаточно сладкого вкуса; его применение, следовательно, приведёт к увеличению доз, то есть опять-таки к избыточному поглощению питательных веществ.
Но вот в 1957 г. исследователи ферментов нашли у микробов новый фермент — глюкозоизомеразу. Этот фермент преобразует виноградный сахар (глюкозу) во фруктовый сахар (фруктозу). Фруктоза же даже на 80 % слаще, чем свекловичный сахар! Следовательно, стоило «только» при помощи глюкозоизомеразы превратить глюкозу во фруктозу, чтобы появилась возможность получать из крахмала очень сладкий сахар.
В 1966 г. японские учёные впервые успешно получили фруктозный сироп из глюкозы. Этот фруктозный сироп был удивительно сладким на вкус и содержал меньше питательных веществ, чем свекловичный сахар, но зато был существенно дороже.
В 1974 г. мировые цены на свекловичный и тростниковый сахар неожиданно возросли в 7 раз. После этого многие фирмы по производству сахара почти сразу заинтересовались новым сиропом.
Но фермент был всё ещё очень дорог. Дело в том, что микробы не выделяли его в окружающую среду, подобно амилазам и протеазам, и поэтому его приходилось с большими трудностями изолировать из клеток микроорганизмов — из смеси тысяч различных веществ!
Поэтому исследователи решились иммобилизировать дорогую глюкозоизомеразу, что позволило использовать её многократно. Кроме того, благодаря иммобилизации фермент стал более устойчивым. Итак, производство фруктозного сиропа налажено. Это было огромным достижением! Когда в 1976 г. цены на сахар вновь упали до прежнего уровня, фруктозный сироп был уже не только слаще, но благодаря различным техническим усовершенствованиям и дешевле, чем тростниковый и свекловичный сахар. Он одержал победу. Сегодня в мире при помощи иммобилизованной глюкозоизомеразы ежегодно получают 3 млн т фруктозного сиропа, который применяется главным образом для производства безалкогольных (освежающих) напитков.
На приведённом примере с фруктозным сиропом можно со всей очевидностью понять, что разработка нового биотехнологического способа — это ещё не все. Необходимо, чтобы новый биопродукт был лучше или по меньшей мере дешевле ранее получаемого продукта, иначе он не будет иметь успеха на мировом рынке.
В последнее время даже у фруктозного сиропа появился «биотехнологический конкурент» — было открыто новое сладкое вещество, которое в 200 раз слаще, чем сахар. Удивительно, что этот новый «сахар» представляет собой «мини-белок», его молекула состоит всего из двух аминокислотных остатков — строительных «блоков» аспартата и фенилаланина; вещество называется «аспартам». Обе «безвкусные» (несладкие) аминокислоты аспарагиновая кислота и фенилаланин продуцируются бактериями в биореакторах в громадных количествах порознь и лишь потом при помощи фермента связываются друг с другом в двухзвенную цепь. Именно эта двухзвенная цепь — молекула аспартама и обладает сладким (сахарным) вкусом. В отличие от других сладких веществ, таких, как сахарин или цикламаты, он имеет вкус «настоящего» свекловичного или тростникового сахара. Пока что аспартам дороже, чем фруктозный сироп. Но если только с помощью генно-инженерных методов удастся заставить микробов производить аспартам сразу «в готовом виде» либо вырабатывать более дешёвым способом и в ещё больших количествах оба аминокислотных блока по отдельности, то не исключено, что аспартам вскоре «победит» своих сладких «конкурентов». Чтобы подсластить чашку чая, достаточно такого количества аспартама, которое, усваиваясь организмом, соответствует поглощённой энергии всего лишь в 4 Дж (примерно 1 кал)!
Микробы как приправа в супах
Аминокислоты могли бы не только делать сладким наш чай или кофе, но и улучшать вкус в качестве приправы нашего обеда. Одна из аминокислот в виде своей соли глутамата уже сегодня имеется в каждой кухне в качестве приправы. В Европе глутамат пока ещё чаще всего получают из пшеницы. Но мировое производство, составляющее 500 000 т ежегодно, основано почти повсюду на микробиологическом способе с помощью коринебактерий и бревибактерий! Глутамат используется как приправа для супов и соусов. Он усиливает их пикантный вкус, более того, он способствует возбуждению аппетита даже у домашних животных!
Разумеется, более важной целью, чем повышение аппетита, является производство аминокислот микробами для дешёвого и полноценного питания сельскохозяйственных животных. Из 20 различных аминокислот, из которых человек и животные строят свои белки, животные, не относящиеся к жвачным, например свиньи и домашняя птица, не в состоянии сами синтезировать восемь аминокислот и поэтому должны получать их с пищей. Особенно важна аминокислота лизин. Она содержится в чрезвычайно малых количествах в злаковых культурах. Между тем такие аминокислоты, как лизин, совершенно необходимы для здоровья животных и человека. При кормлении сельскохозяйственных животных 1 т лизина в качестве подкормки заменяет 75 т зерна, 5 т рыбной муки или 9 т соевого шрота[31].
