От пекарни до биофабрики. Обзор достижений биотехнологии - Реннеберг Рейнхард
Дрожжи и плесневые грибы, имеющие важное значение для биотехнологии (схема выполнена с 3000‑кратным увеличением). Пивные или пекарские дрожжи (Saccharomyces) используются в пивоварении, виноделии и хлебопечении, дрожжи рода Candida — в производстве кормового белка. Кистевидные плесени (пенициллы) играют важную роль в сыроварении и фармацевтической промышленности, леечные плесени (аспергиллы) вырабатывают, например, ферменты, расщепляющие крахмал.
Ещё одно древнейшее биотехнологическое «производство» — это квашение капусты с целью сделать её пригодной для длительного хранения. При желании довольно легко самому в домашних условиях изготовить кислую (квашеную) капусту. Для этого мелко нарубленную белокочанную капусту с добавленной солью (иногда также с пряностями) до тех пор уминают в глиняном сосуде, пока поверхность плотно утрамбованного слоя капусты не покроется жидкостью. После этого на капусту кладут плоскую тарелку (или деревянный кружок), которую придавливают чисто вымытым булыжником. Сосуд ставят в прохладное место. Очень скоро в капусте начинается брожение. Без доступа воздуха свежая капуста постепенно превращается в очень вкусную квашеную капусту.
Точно так же в сельском хозяйстве заквашивают зелёный корм на зиму, при этом образуется лёжкоспособный силос длительного пользования.
Все описанные выше «биотехнологии» связаны с процессами брожения; эти способы применялись и применяются человеком на протяжении тысячелетий. Накопленный опыт передавался из поколения в поколение, хотя человеку было ещё совершенно ничего неизвестно о причинах брожения и о том, как оно осуществляется. И только в ⅩⅨ в. французский учёный Луи Пастер (1822—1895) разогнал мрак неизвестности. Тем самым он заложил основы сознательного управления технологическими процессами, в которых микроорганизмы являются «рабочими животными». Луи Пастер по справедливости считается одним из отцов современной биотехнологии.
Исследователи свойств микробов и «охотники» за микробами
Тайна кислых чанов
Минуло почти 200 лет после открытий Левенгука, и вот микробы вновь вызывают самый живой интерес учёных. В середине ⅩⅨ в. в Европе появились крупные промышленные предприятия. Производство спирта теперь также перешагнуло границу семейного предприятия, спирт стали производить в заводских условиях. В результате всё настоятельнее стала ощущаться потребность в знаниях о процессах, происходящих при различного рода брожениях, для того чтобы иметь возможность избежать разорительных промахов.
В 1856 г. во французском городе Лилле некий господин Биго, владелец фабрики по производству спирта, навестил профессора химии Луи Пастера. Биго сообщил ему, что многие из его спиртовых чанов поразило необычное «заболевание». Из сахарного сиропа, получаемого из сахарной свёклы, там образуется не спирт, как положено, а вязкая серая жидкость с кислым запахом. Пастер упаковал свой микроскоп и отправился с ним на фабрику. Здесь он взял пробы и из «больных», и из «здоровых» чанов. Как показало микроскопическое исследование, «здоровые» пробы содержали жёлтые шарики — почкующиеся дрожжи. Следовательно, дрожжи были живыми и их жизнедеятельность обуславливала преобразование сахара в спирт! Затем Пастер исследовал вязкую массу. Там он не обнаружил никаких дрожжей, зато были видны какие-то маленькие серые точки. Каждая точка содержала хаотическое скопление дрожащих палочек — миллионы палочек в каждой серой точке.
Луи Пастер в лаборатории.
Кислое вещество, которое вырабатывали эти палочки, оказалось молочной кислотой. А что, если эти палочки, подобно дрожжам, являются живыми созданиями? Быть может, они борются с дрожжами за сахар и в какой-то момент одерживают верх? По-видимому, такие или очень похожие мысли пришли в голову Пастера. Он накапал немного жидкости, содержащей палочки, в бутылку, где находился прозрачный раствор из дрожжей и сахара. Спустя короткое время здесь также исчезли дрожжи и палочки стали «господами положения». И опять вместо спирта образовалась молочная кислота.
Обнаруженные палочки были бактериями. Они приобрели своё имя по форме своего тела (от греч. bakterion — палочка). Бактерии, со всей очевидностью, путём брожения вырабатывали из сахара молочную кислоту, тогда как дрожжи сбраживали сахар до спирта и газообразного углекислого газа.
Бактерии, как и дрожжи, состоят из одной-единственной клетки. Размеры бактериальной клетки редко превышают тысячную долю миллиметра, следовательно, она почти в 10 раз меньше дрожжевой клетки. Из-за таких малых размеров в микробиологии в качестве единицы измерения вместо миллиметровой (1 мм) шкалы используется чаще всего микрометровая (1 мкм); 1 мкм = 0,001 мм = 10−6 м. Для того чтобы получить представление о размерах тела бактерии, представим крохотный кубик с ребром в 1 мм (то есть объём кубика равен 1 мм3). В таком кубике может поместиться около одного миллиарда бактерий!
Сравнение размеров наиболее важных групп микроорганизмов с толщиной человеческого волоса. Схема выполнена с 1000‑кратным увеличением, то есть 1 см соответствует 0,01 мм, или 100 мкм. При таком увеличении в световом оптическом микроскопе вирусы не видны. Оптический микроскоп даёт увеличение до ×~2000. Для того чтобы различить вирусы в подробностях, необходимо применение современных электронных микроскопов.
Электронные микрофотографии бактерий, укрепленных на острие булавки.
В электронных микроскопах, в создание которых в тридцатые годы нашего столетия внесли большой вклад Эрнст Руска, Манфред фон Арденне, Макс Кнолль и др., для получения увеличенного изображения используется пучок электронов (в оптическом микроскопе световой луч). Длина волны электронов в 100 000 раз меньше длин волн диапазона видимого света, поэтому при использовании пучка электронов можно получить изображение увеличенным в 100 000 раз по сравнению с оптическим микроскопом.
Слева: 300‑кратное увеличение (приблизительно как в микроскопе Левенгука), в центре: 1500‑кратное увеличение (примерно как в хорошем оптическом микроскопе), справа: увеличение в 35 000 раз.
Виды бактерий, имеющие важное значение для биотехнологии. Увеличение × 10 000÷50 000. Отдельные виды Pseudomonas заселяют листья и корни растений, некоторые способны разрушать вредные вещества, находящиеся в окружающей среде. Клубеньковые бактерии, живущие в пахотном слое почвы, и различные виды азотобактера связывают азот воздуха, делая его доступным для питания растений. При помощи методов генной инженерии колибактерии (Escherichia coli) можно реконструировать так, чтобы они стали производителями белков человека и животных. Различные виды Bacillus продуцируют ферменты, которые разлагают крахмал до сахаров, эти же ферменты входят в состав «биомоющих» средств, так как они принимают участие в растворении стойких загрязнений. Bacillus thuringiensis выделяют кристаллы, которые убивают гусениц. Стафилококки вызывают порчу пищевых продуктов, стрептококки и виды лактобацилл вызывают скисание молока. Стрептомицеты вырабатывают очень важные лекарства, которые подавляют развитие возбудителей болезней.
Однако наряду с палочковидными бактериями известны также бактерии в форме шариков — кокки (от греч. kokkus — круглое ядро), непрерывно вибрирующие вибрионы в форме запятой (от лат. vibrare — дрожать, вибрировать), винтообразно изогнутые спириллы (от лат. spirillum — винтик). У многих бактерий имеются жгутики, с помощью которых они могут быстро передвигаться. Бактерии размножаются посредством деления одной клетки на две (прежде их называли также делящимися грибами). Образующиеся таким образом «дочерние клетки» потом чаще всего разъединяются. Если же они остаются связанными между собой, то возникают более или менее длинные цепочки бактериальных клеток. Их называют стрептококками (от греч. streptos — цепь). Бывает, что они группируются наподобие грозди винограда, тогда их называют стафилококками (от греч. staphyle — гроздь).
