Белок одноклеточных. Синтез белка одноклеточных в биотехнологии.

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 21.12.2024

Человеку ежедневно требуется примерно 100 г белков, из них две третьих должны поступать из животных продуктов, что эквивалентно 300 г мяса или рыбы в день. Для четверти, а то и половины населения Земли - это немыслимая роскошь. Успехи биотехнологии наводят на мысль о возможности хотя бы частично накормить человечество синтетическим мясом. Писатели-фантасты уже давно эксплуатируют эту идею, и во многих фантастических романах большинство обитателей Галактики питаются синтетикой, а натуральный продукт могут позволить себе только богачи. А каковы реальные достижения?

Спирулина, сине-зеленая водоросль, способна усваивать азот из атмосферы и благодаря этому быстро наращивать биомассу.

В окрестностях озера Чад местные жители собирают спирулину в плетеные корзины, а после того как вода стечет, раскладывают лепешки зеленой массы на песке и сушат на солнце.

ФИЛЕ ДЛЯ КОСМОНАВТОВ

В марте 2002 года биотехнологи из нью-йоркского Колледжа Туро (Touro College) устроили презентацию проекта, выполненного по заказу NASA. Им удалось заставить мышечную ткань золотой рыбки (Carassius auratus ) расти в питательном растворе, удваивая вес примерно за месяц. Обжаренные в оливковом масле с чесноком, лимоном и перцем, кусочки выглядели и пахли точь-в-точь как жареная рыба, но никто из приглашенных на презентацию не решился убедиться в том, что и на вкус они не отличаются от рыбы. Пробовали ли сами авторы свой продукт - неизвестно, но если они настоящие экспериментаторы, то наверняка рискнули, не дожидаясь одобрения FDA (Food and Drug Administration - Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов в США).

Разработчики и заказчики уверены, что космонавты не будут привередничать, и продолжают работу. Кусочки куриного и говяжьего филе уже способны жить в питательном растворе, осталось только добиться их роста, устроить еще одну презентацию и продолжать исследования. Статью М. А. Бенжаминсона (M. A. Benjaminson) и его коллег можно найти в журнале "Acta Astronautica" за декабрь 2002 года. Исследование, несомненно, ценное, но скорее для тканевой инженерии, а не для пищевой промышленности.

Причин, по которым даже космонавты в ближайшие сотню-другую лет будут есть "пробирочные" бифштексы в лучшем случае только в День космонавтики, и то на Земле, множество. Прежде всего - закон сохранения массы. Для синтеза одного грамма сухого вещества мышечной ткани теоретически потребуется не менее десяти граммов сухого веса реактивов. А на практике - во много раз больше: воду можно регенерировать, а питательную среду, испорченную продуктами метаболизма клеток, придется отправлять в конвертер вместе с неиспользованными реактивами. Да и сам биореактор, в котором раз в неделю созревал бы фунт филе, весит немало. Дешевле запасти мороженого мяса на дорогу до Марса и обратно. Так что пока космические технологии отрабатывают на перенаселенной и недоедающей Земле. Но могут ли земляне рассчитывать на бифштексы из пробирки?

В научной фантастике встречается описание биофабрик, где выращивают мышечную ткань с оптимально сбалансированным для питания человека составом - угадайте, какого вида живых существ? Если вам не хочется котлет из культуры человеческих эмбриональных клеток, можно пустить на развод стволовые клетки, выделенные из вашего собственного костного мозга. Тоже не нравится? Ну, хотя бы против мышечных клеток рогатого скота у вас предубеждения нет? Тогда доставайте чековую книжку.

Пожалуй, для выращивания космического филе лучше всего подойдет питательная среда на основе сыворотки крови телячьих эмбрионов: содержащиеся в ней гормоны, цитокины и другие известные и неизвестные вещества стимулируют рост клеток. Клетки считают не килограммами, а миллионами штук, диаметром 20-30 микрон каждая, но, попутавшись в нулях, я получил, что только реактивы для выращивания килограмма клеток обойдутся в 10 тысяч долларов. Даже если удастся вырастить бифштекс (скорее все-таки фарш) на менее дорогой сыворотке из крови взрослых быков и коров, он все равно будет во много раз дороже черной икры. На дешевых бессывороточных средах клетки животных не растут. Снижение цен на стерилизаторы, биореакторы и питательные среды в ближайшие сто лет не предвидится. А еще придется решить массу технических вопросов. В культуре клетки прилипают ко дну и друг к другу, прекращают рост и гибнут. Чтобы не допустить этого, среду перемешивают. Попытки вырастить in vitro не культуру клеток, а ткань создают массу дополнительных сложностей. В организме действует система тканевой микроциркуляции, которая доставляет к каждой клетке питательные вещества и кислород и удаляет продукты метаболизма. Чтобы обеспечить нечто подобное в биореакторе, необходимо предусмотреть включение в систему капилляров и более крупных сосудов, подсоединенных вместо сердца к пламенному мотору. И если такие решения будут найдены, использовать их следует не для производства бифштексов, а для выращивания искусственных органов с целью пересадки - только в этом случае окупится цена на вес золота.

Что касается продуктов питания, то их можно получать не просто более дешевыми, но даже рентабельными методами. И при этом удастся обойтись без культуры животных тканей.

Лет тридцать назад, когда на каждой лестничной площадке стояли вонючие баки с пищевыми отходами, выдвигался такой прожект: выращивать на этих и других отходах личинки обычных домашних мух на корм скоту, а возможно, и для человеческого питания. В кулинарных книгах народов мира есть много оригинальных рецептов, от сырых вшей до печеных миссионеров. По составу опарыши действительно полезнее говядины, но из эстетических соображений я предпочту им бифштекс из хорошо прожаренных микроорганизмов.

ВСЕЯДНЫЕ ДРОЖЖИ

Идея использовать для производства пищевого белка дрожжи возникла в конце XIX века. В Первую мировую войну в Германии в год производили до 10 тысяч тонн дрожжей для пищевых эрзацев, а в тридцатых годах XX века во всем мире заработали заводы по переработке в кормовой белок отходов самых разных производств, от патоки и молочной сыворотки до гидролизованных серной кислотой опилок и кукурузных кочерыжек. Тогда же советский фантаст Александр Беляев написал повесть "Вечный хлеб". Сюжет ее похож на сказку про волшебный горшочек: некий профессор, желая облагодетельствовать человечество, открыл дрожжи, которые питались воздухом и производили безвкусную, но питательную биомассу. Дело чуть не кончилось глобальной катастрофой: халява начала бесконтрольно распространяться по биосфере, раз в полчаса удваиваясь в объеме. К счастью, профессор успел открыть вирус, смертельный для "вечного хлеба" и безвредный для всего остального.

Сейчас БВК, он же - белок одноклеточных организмов (БОО), получают главным образом из дрожжей, выращенных на отходах пищевой промышленности, и используют в качестве добавки к кормам для сельскохозяйственных животных. Как-то я из любопытства пожевал гранулу такого концентрата - честно говоря, гадость, но куры клевали с энтузиазмом. Если такой концентрат дезодорировать и ароматизировать, в колбасе его было бы не отличить от сои.

Но в дрожжах слишком много нуклеиновых кислот: чем быстрее клетки делятся, тем больше в них ДНК и РНК. А пуриновые основания в организме человека превращаются в мочевую кислоту и в больших количествах нарушают пуриновый обмен и вызывают заболевания, прежде всего, суставов и почек. Два грамма нуклеиновых кислот в день в дополнение к обычной диете - максимум, рекомендованный Всемирной организацией здравоохранения. Поэтому в человеческом питании применяют только биологически активные добавки из пивных дрожжей - источник витаминов группы В и других биологически активных веществ. У дрожжей и водорослей, в том числе у популярной среди героев научно-фантастических романов хлореллы, есть еще один недостаток - слишком прочная клеточная стенка, из-за которой содержимое клеток плохо усваивается.

Животные едят корма с добавкой БОО из дрожжей или хлореллы с удовольствием и пользой для здоровья. Толстая клеточная стенка в пищеварительной системе коровы или курицы переваривается без проблем, и пуриновые основания скотине не страшны: мочевая кислота в организме животных превращается в мочевину.

Кстати, гена, кодирующего необходимый для этого фермент уриказу, нет только у приматов. Эту делецию - выпадение гена из хромосомного набора - считают одной из причин того, что мы, приматы, такие умные. Мочевая кислота по строению молекулы похожа на кофеин и, возможно, стимулирует деятельность головного мозга. У всех животных, кроме приматов, мочевая кислота разлагается, не успев стукнуть в голову, - зато у них реже, чем у нас, случаются подагра и камни в почках.

НЕПРИХОТЛИВАЯ СПИРУЛИНА

Перспективный объект для получения пищевого белка - нитчатые одноклеточные цианобактерии (сине-зеленые водоросли) рода Spirulina . В отличие от бактерий и грибов спирулина способна усваивать атмосферный азот. В природе - далёко-далёко на озере Чад, в мелких прибрежных заливах и прудах со щелочной водой - биомасса спирулины удваивается за три-четыре дня. Сбившиеся в клубки спиральные нити длиной в несколько миллиметров с заполненными газом вакуолями всплывают на поверхность, а ветер и прибой выбрасывают их на берег. Местами берега романтического озера Чад покрыты толстым-толстым слоем биомассы S. platensis . Попробовать ее на вкус догадались, наверное, самые первые местные жители. Независимо от них по другую сторону Атлантики жители окрестностей мексиканских озер стали собирать биомассу родственного вида спирулины.

У спирулины тонкая клеточная стенка, и переваривается она легче, чем хлорелла или дрожжи. В ней в два раза меньше нуклеиновых кислот, чем в дрожжах, много витаминов, микроэлементов, полиненасыщенных жирных кислот и 65-70% от сухого веса почти идеального по составу белка.

Описание фитотрона для выращивания спирулины хоть на космической, хоть на полярной станции (были бы тепло, вода, минеральные соли и свет) я читал еще в восьмидесятые годы. Но до сих пор в качестве продукта питания спирулину используют только бедные мексиканцы и африканцы, у которых она валяется под ногами. Всем остальным ее продают не фунтовыми лепешками, а в таблетках по цене биологически активной добавки, хотя все, что нужно для ее выращивания, это много солнца и щелочная среда в водоеме.

В тропических странах тысячи лет готовят лепешки из углеводного сырья, перебродившего под действием различных плесневых грибков, компенсируя тем самым нехватку белков и витаминов. И технология промышленного производства таких лепешек давно отработана, но не стала популярной даже в тропиках, хотя из пшеничной муки при этом получается полезный и, по описаниям, вкусный продукт, обогащенный витаминами и содержащий в шесть-семь раз больше белка (до 70%), к тому же лучшего по питательным свойствам, чем белок злаков. По-моему, главная причина того, что такие лепешки (например, темпех из сои, ферментированной грибком Rhizopus oligosporous ) покупают только вегетарианцы, - консерватизм потребителей.

В семидесятых годах ХХ века британское министерство сельского хозяйства после тщательных испытаний питательной ценности и безвредности дало разрешение на продажу микопротеина - выращенного на искусственной среде мицелия (попросту говоря, волокон плесени) мутантного штамма известного фитопатогена - грибка Fusarium graminearum . По виду и структуре прессован ный мицелий напоминал крабовые палочки (их, как известно, делают из филе дешевой рыбы и бульона от крабовых консервов), по вкусу - что-то идентичное натуральному, а по питательной ценности во всех отношениях был лучше мяса. В мясе в пересчете на сухой вес содержится около 60% белков и 40% жира; в микопротеине - 50% белков, 15% жиров (более полезных, чем говяжий жир), 10% углеводов и 25% полезных для здоровья пищевых волокон. Полуфабрикаты блюд на основе грибного белка в Англии и США при желании можно купить, но их производители рекламируют в основном отсутствие в продукте мяса и намекают на то, что все грибы, включая трюфели, - родственники.

С точки зрения эффективности синтеза белка ни одно сельскохозяйственное животное и в подметки не годится микроорганизмам. Для простоты сравнения сведем в таблицу всего два показателя: общую биомассу (без рогов и копыт, но с костями и хрящами, которых у микробов нет) и выход чистого белка на один килограмм корма.

Обратите внимание: из килограмма углеводов в составе питательной смеси фузариум синтезирует больше килограмма биомассы! Закон сохранения вещества при этом не нарушается. Это не сухой вес, а общий - и у плесени и у коровы это в основном вода. Но по чистому белку на килограмм корма грибок обгоняет животных в разы. В качестве дополнительного источника азота для синтеза аминокислот через питательную среду пропускают газообразный аммиак или добавляют мочевину и другие азотсодержащие вещества.

Если вы забыли школьный курс химии и слово "мочевина" вызывает у вас неприятные ассоциации, внимательно послушайте рекламу жевательной резинки с ксилитом и карбамидом. Карбамидом - "углеазотом" - на иностранный манер и в соответствии с международной химической номенклатурой называют выделенное когда-то из мочи животных вещество с неноменклатурным русским названием "мочевина". В качестве удобрения для растений ее под этим названием и продают привычным к навозу и компосту крестьянам и дачникам. Для человека мочевина в тех количествах, в которых она содержится в жвачке, безопасна, а для микробов (в больших количествах) может служить полноценным сырьем для синтеза белка.

МИКРОБЫ НАКОРМЯТ МИР?

Выращивать белки в биореакторе выгоднее, чем в стойле, и по многим другим причинам, кроме эффективности использования кормов. Самый скороспелый бройлер удваивает свою биомассу примерно за месяц и от пятидесятиграммового цыпленка до килограммовой куриной тушки вырастает за полгода. Микроорганизмы при благоприятных условиях удваивают биомассу за несколько часов, а то и быстрее, то есть по скорости производства белка микробы в сотни раз эффективнее, чем животные.

Бактерии или мицелий грибов, в отличие от водорослей, приходится выращивать не в прудах, а в ферментерах. Но микробы куда менее требовательны к условиям содержания, чем клетки животных и тем более их ткани. Прокормить микробов намного дешевле, чем свиней или кур. На любом заводе по переработке сельхозпродуктов отходы, содержащие массу углеводов, витаминов и микроэлементов, отдадут на дочернее или смежное производство БОО даром, да еще и скажут "спасибо" за то, что не надо возиться с их обезвреживанием. Правда, для выращивания микробов необходимо сложное оборудование, зато один квалифицированный оператор может заменить десятерых трактористов, пастухов и мясников.

Микробиологический заводик, занимающий площадь нескольких дачных участков, может каждые сутки производить из отходов традиционных производств десятки тонн вкусной, полезной и питательной биомассы. То же количество белка можно получить, если каждый день резать стадо коров или других меньших братьев. И, в отличие от животных, микробы не нуждаются в пастбищах и полях - значит, каждый завод по производству биомассы освобождает площадь для садов и лугов. А переработать на биогаз и удобрения отходы жизнедеятельности одних микроорганизмов можно в соседнем биореакторе с помощью других микроорганизмов. С навозом проблем намного больше.

Производство продуктов из микробной биомассы вполне может быть рентабельным - выгодно же делать из нее корм для скота. Еще несколько десятков лет экологические, демографические и экономические причины не заставят человечество переходить на фантастические продукты питания. А что будет лет через двадцать, если сохранятся сегодняшние темпы роста населения и продуктивности сельского хозяйства? Несомненно одно: если мир через несколько десятилетий станет более сытым и здоровым, то только благодаря все более широкому внедрению достижений биотехнологии.

Самый реалистичный источник увеличения продуктивности сельского хозяйства - трансгенные растения, прежде всего - устойчивые к болезням и вредителям, засолению, засухе, жаре, холоду и т.д. Во вторую очередь - с измененным составом питательных веществ и повышенной урожайностью. В 2004 году на Земле трансгенными растениями был засеян 81 млн га, более 6% мировой пашни. В основном это растения, устойчивые к насекомым-вредителям (общее количество насекомых на "трансгенных" полях больше, чем на обычных, протравленных инсектицидами) и к гербицидам (в результате чего общее количество "химии" на поле тоже снижается). Культуры с улучшенными потребительски ми свойствами ждут разрешения на внедрение. В 2003 году индийские биотехнологи закончили работу над сортом картошки с почти вдвое увеличенным содержанием белка (целых 3,5%). Дополнительное количество растительного белка позволило бы населению бедных стран меньше страдать от недоедания, но внедрение protato (protein + potato), риса с каротином (гиповитаминоз А - большая проблема в странах, где горсточка риса составляет основу рациона) и многих других трансгенных сортов растений все откладывается. Борьба политиканов, непримиримых "зеленых", производителей пестицидов и т.п. против ГМО, несмотря на доказанную и передоказанную компетентными правительственными организациями безопасность разрешенных к применению сортов, - отдельная и печальная история. Сейчас в опытных питомниках растет столько и такого, что одно перечисление названий и свойств этих растений заняло бы больше места, чем эта статья. Победа второй "зеленой революции" неизбежна, какие бы аргументы ни выдвигали противники трансгенных растений.

Трансгенные животные вот-вот выйдут из вивариев на поля и в стойла. Возможно, вначале практическое применение найдут животные, производящие в молоке белки для нужд медицины, а генетичес ки модифицированные мясные стада появятся позже. Они будут устойчивее к болезням, быстрее расти и т.д., потом изменятся их потребительские качества. Например, весной 2004 года ученые из Гарвардского университета создали линию мышей, в геном которых введен ген, позаимствованный у нематоды Caenorhabditis elegans , червя длиной в миллиметр. Кодируемый этим геном белок преобразует омега-6 жирные кислоты, которые синтезируют клетки млекопитающих, в омега-3 жирные кислоты, которые понижают давление, уменьшают вероятность сердечно-сосудистых заболеваний и давно известны как "витамин F" (от англ. fat - жир). Продолжение этих исследований позволит вывести породы домашних животных, мясо, молоко и яйца которых будут так же полезны для сердца, как рыба.

Перечислять названия и свойства перспективных трансгенных пород домашних животных тоже можно очень долго. Вопрос не в том, будут они разрешены к применению или нет, а в том, произойдет это через пять лет или через двадцать и насколько трудно будет убедить потребителей в безопасности генетически модифицированного мяса.

Микроорганизмы как источник пищевого сырья, в отличие от трансгенных растений и животных, вызывают у потребителей намного меньше опасений. Хлеб, сыр, вино, пиво с незапамятных времен делают с помощью микробов, и это никого не пугает. Производство микробного белка из углеводного сырья не представляет технических трудностей, в том числе и в России. Самое сложное - сформировать спрос на непривычный товар.

"Наука и жизнь" о биотехнологии:

Баев А. Индустрия ДНК: новый путь биотехнологии . - 1981, № 11.

Лебедев В. Миф о трансгенной угрозе. - №№ 11,2003г.. 12,2003г.

Медников Б. Власть над геном. - 1981, №№ 7-10.

Овчинников Ю. Биотехнология и ее место в научно-техническом прогрессе . - 1982, № 6.

Белок одноклеточных. Синтез белка одноклеточных в биотехнологии.

Относительно новым источником питательных веществ является «белок одноклеточных». Его производство началось в конце 1960-х годов. Термин относится к белку, который получают при крупномасштабном выращивании микроорганизмов, таких как бактерии, водоросли, а также дрожжи и другие грибы. Белок пригоден для употребления людьми и может быть использован в качестве корма для животных. Он служит полезным источником минеральных веществ, витаминов, жиров и углеводов. Теоретически это позволяет высвободить для нужд человека целый ряд белковых продуктов, таких как соевая мука и зерно, которые в настоящее время используются на корм животных. Однако на Западе сельскохозяйственная продукция производится в избытке и скорее всего это вряд ли случится. Хорошо известно, что в мировом масштабе наблюдается нехватка белка, но это относится лишь к развивающимся странам, которые не имеют средств на развитие подобных биотехнологий.

Ниже перечислены преимущества использования микроорганизмов в качестве источника пищевых продуктов.
1. Микроорганизмы занимают меньше пространства, чем традиционные растения и животные.
2. Микроорганизмы растут быстрее.
3. Микроорганизмы могут использовать для роста широкий спектр дешевых продуктов, а также сельскохозяйственных и промышленных отходов, например нефтяные продукты, метан, метиловый и этиловый спирт, сахар, патоку, сыр, сыворотку, и бумажные отходы. Это дает дополнительные преимущества, поскольку позволяет реутилизировать различные материалы и избавляться от мусора.

4. С эксплуатацией микроорганизмов связано меньше этических проблем, и нет проблем, затрагивающих права животных.
5. К микроорганизмам гораздо легче применять методы генной инженерии.
6. Микроорганизмы содержат довольно много белка.
7. Микроорганизмы не зависят от климатических условий и не занимают больших земельных площадей.

Одним из первых главных продуктов был получен белок одноклеточных прутин, производство которого — прекрасный пример хорошего инженерного проекта, разработанного для непрерывного процесса ферментации. Прутин предлагался на рынке в качестве кормовой добавки для животных. Первоначальные надежды на белок одноклеточных не оправдались, так как изменились экономические и политические аспекты его производства, в связи с чем возникли следующие проблемы.
1. Рост цен на нефть в конце 1970-х годов обусловил существенное повышение стоимости продукции, поскольку процесс, включающий производство метанола, является высоко энергозависимым.
2. В развитых странах, таких как США и Европа, где должен был производиться белок одноклеточных, обычным явлением стало перепроизводство сельскохозяйственной продукции. В особенности это касалось конкурирующих с белком одноклеточных и богатых протеином продуктов: зерна, соевых бобов и молочных продуктов.
3. Развивающиеся страны, где ощущается нехватка белка, не располагали инвестиционными средствами, необходимыми для организации собственного производства кормового белка, и не имели необходимых разработок.
4. Увеличилось производство и снизилась стоимость конкурирующих кормовых добавок для животных, таких как соевые бобы, рыбная мука и клейковина из кукурузы. Последняя является побочным продуктом при биотехнологическом производстве топлива.

Прутин производился компанией ICI. После неудачи с его использованием в качестве коммерческого продукта завод был демонтирован, однако ICI использовала разработки, сделанные в сотрудничестве с Рэнком (Rank), Ховисом (Hovis) и Макдоугаллом (McDougall), для производства белка из гриба Fusarium. Этот мико-протеин (мико- означает, что он имеет отношение к грибам) необычен в плане использования человеком. Он продается под торговой маркой «Кворн» («Quorn»), а его производство описано ниже в данном разделе.

Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.

БИОЛОГИЯ Том 2 - руководство по общей биологии - 2004

Ниже перечислены преимущества использования микроорганизмов в качестве источника пищевых продуктов.

1. Микроорганизмы занимают меньше пространства, чем традиционные растения и животные.

2. Микроорганизмы растут быстрее.

3. Микроорганизмы могут использовать для роста широкий спектр дешевых продуктов, а также сельскохозяйственных и промышленных отходов, например нефтяные продукты, метан, метиловый и этиловый спирт, сахар, патоку, сыр, сыворотку, и бумажные отходы. Это дает дополнительные преимущества, поскольку позволяет реутилизировать различные материалы и избавляться от мусора.

4. С эксплуатацией микроорганизмов связано меньше этических проблем, и нет проблем, затрагивающих права животных.

5. К микроорганизмам гораздо легче применять методы генной инженерии.

6. Микроорганизмы содержат довольно много белка.

7. Микроорганизмы не зависят от климатических условий и не занимают больших земельных площадей.

1. Рост цен на нефть в конце 1970-х годов обусловил существенное повышение стоимости продукции, поскольку процесс, включающий производство метанола, является высоко энергозависимым.

2. В развитых странах, таких как США и Европа, где должен был производиться белок одноклеточных, обычным явлением стало перепроизводство сельскохозяйственной продукции. В особенности это касалось конкурирующих с белком одноклеточных и богатых протеином продуктов: зерна, соевых бобов и молочных продуктов.

3. Развивающиеся страны, где ощущается нехватка белка, не располагали инвестиционными средствами, необходимыми для организации собственного производства кормового белка, и не имели необходимых разработок.

4. Увеличилось производство и снизилась стоимость конкурирующих кормовых добавок для животных, таких как соевые бобы, рыбная мука и клейковина из кукурузы. Последняя является побочным продуктом при биотехнологическом производстве топлива.

Прутин производился компанией ICI. После неудачи с его использованием в качестве коммерческого продукта завод был демонтирован, однако ICI использовала разработки, сделанные в сотрудничестве с Рэнком (Rank), Ховисом (Hovis) и Макдоугаллом (McDougall), для производства белка из гриба Fusarium. Этот микопротеин (мико- означает, что он имеет отношение к грибам) необычен в плане использования человеком. Он продается под торговой маркой «Кворн» («Quorn»), а его производство описано ниже в данном разделе.

В 1980 г. компания ICI пустила в строй огромный ферментер (емкость 1500 м 3 , высота 60 м) в Билленгеме на северо-востоке Англии. Строительство обошлось фирме в 40 млн. фунтов стерлингов. Производственный потенциал составлял 70 000 т белка одноклеточных ежегодно. Для культивирования использовали бактерию Methylophilus methylotrophus, для которой источником углерода и энергии служил дешевый и легко доступный метанол. Процесс происходил в аэробных условиях. В суммарное уравнение процесса входят необходимые сырые материалы и образующиеся продукты:

Двуокись углерода, которая являлась отходом производства, закачивали в баллоны и продавали.

При поиске подходящей бактерии руководствовались тем, что она должна иметь высокую скорость роста и использовать относительно дешевый источник углерода и энергии, быть термоустойчивой, поскольку в процессе ферментации выделяется тепло, непатогенной для любых других организмов и иметь высокое содержание белка на единицу сухой массы.

Выбранная бактерия М. methylotrophus имела время генерации (время удвоения) 2—5 ч. Азот вносили в виде солей аммония; кроме того, требовались дополнительные минеральные добавки: фосфор, кальций и калий. Метанол получали из природного газа в той же самой промышленной зоне Биллингема, причем он не содержал вредных побочных продуктов. За температурой внимательно следили и поддерживали ее в пределах 30—40 °С; pH составлял 6,7. Ферментер мог работать непрерывно в течение нескольких месяцев.

Производство прутина является классическим примером непрерывного культивирования. Основные принципы его производства те же, что описаны в разд. 12.10.5. Ферментер был высоким и узким, что облегчало аэрацию и охлаждение. Он имел уникальную систему подачи воздуха для аэрации среды. Сжатый воздух поступал со дна ферментера, и поднимающиеся пузырьки перемешивали содержимое (лучше, чем при использовании распылителей). Ежемесячно производилось 6 000 т белка. Из 2 т метанола получалась 1 т высушенного прутина, который содержал 72% белка и 8% влаги. Он был обогащен незаменимыми аминокислотами и витаминами и был в два раза питательнее, чем мука соевых бобов. Прутин использовали в качестве корма для животных.

Поскольку культивирование было непрерывным, бактерии собирали постоянно, как только они достигали максимальной скорости роста (экспоненциальный рост). Часть содержимого удаляли из ферментера, обрабатывали реагентом, который способствует слипанию бактерий, и затем центрифугировали. Выделенные клетки высушивали путем распыления, а полезные компоненты надосадочной жидкости возвращали в ферментер. После высушивания бактериальные клетки измельчали, чтобы они лучше усваивались и перед упаковкой корректировали pH и минеральный состав.

Другой потенциальный источник белка одноклеточных — грибы. Дрожжи, так же как и бактерии, могут использоваться и людьми, и животными (см. ниже разд. «Дрожжевой экстракт»). Находят применение и плесневые грибы. Для них характерно типичное грибное тело (описание см. в разд. 2.5.2), состоящее из совокупности тонких нитевидных гиф, называемой мицелием. Хороший пример использования плесневых грибов — производство микопротеина. В 1985 г. Рэнк, Ховис и Макдоугал организовали совместно с ICI компанию под названием Marlow Foods для производства микопротеина под торговой маркой «Quorn». Для этой цели был использован гриб Fusatium graminearum. Он был впервые выделен в начале 1960-х годов из образца почвы вблизи Марлоу в Бакингемшире, отсюда происходит и название компании. Исследование белкового продукта началось в 1964 г., а одобрение как безопасный для употребления человеком и разрешение на запуск в производство он получил в 1986 г. Сначала кворн использовали для выпечки ароматных пирожков, которые продавал Дж. Сэйнсбери. И хотя исходно он применялся как ингредиент при изготовлении таких пищевых продуктов, как пирожки и карри, в 1990 г. в продаже появился кворн в кусочках для домашнего применения, а в 1992 г. его стали продавать в измельченном виде. Кворн обладал нежным вкусом и приятным ароматом и имел успех у покупателей.

Время удвоения гриба в культуре составляет 5,5 ч, т. е. он растет медленнее, чем бактерии. В качестве источника углерода и энергии гриб использует глюкозу, которую получают из любого достаточно дешевого сырья, содержащего крахмал, например кукурузы, пшеницы, риса, картофеля или мелассы. Гриб образует 0,5 кг сухой биомассы на килограмм использованного сахара. Преимуществом грибов является способность расти при довольно кислых pH, при которых подавляется рост бактерий, что снижает риск загрязнения культуры. Fusarium растет при 30 °С в условиях непрерывного культивирования. Как и при культивировании бактерий, источником азота являются соли аммония, и для поддержания роста в среду добавляют минеральные соли. Как во всех описанных выше процессах, необходима аэрация и охлаждение среды, а все используемые материалы должны быть простерилизованы. Перемешивание среды достигается с помощью особого механизма аэрации. В данном случае исключено применение механических мешалок, поскольку гифы опутывают их, из-за чего нарушается равномерное распределение гиф внутри ферментера. Механизм называется «воздушным лифтом», потому что культура непрерывно циркулирует, совершая один оборот каждые 2 мин под действием воздуха, который продувается через вертикально расположенную удлиненную петлю высотой 40 м. Объем ферментера составляет около 40 000 дм 3 . Так как это непрерывный процесс, из ферментера постоянно отбирают продукт и добавляют свежую среду.

Эукариотические клетки характеризуются более высоким содержанием нуклеиновых кислот по сравнению с прокариотическими, поэтому микопротеин содержит значительное количество нуклеиновых кислот (5—15% сухой массы). Это главным образом РНК, причем ее содержание желательно снизить, поскольку употребление человеком более 2 г в день может привести к образованию камней в почках или к подагре. Для удаления РНК культуру прогревают при 64 °С в течение 20—30 мин в особом сосуде, через который пропускают горячий пар. Прогревание инактивирует протеиназы грибов (таким образом, белок не разрушается), однако не действует на РНКазы, что способствует разрушению РНК. Содержание РНК снижается до 1%, что значительно ниже рекомендованного Всемирной Организацией Здравоохранения нижнего предела, составляющего 2%.

Мицелий грибов легче отделить от культуральной среды, чем клетки бактерий. Центрифугирования не требуется, достаточно отфильтровать мицелий. После фильтрации и высушивания остается тонкая эластичная пленка корна. На этом этапе по виду и по вкусу он напоминает сырое тесто. К нему добавляют овощные приправы и немного яичного белка. Затем его нарезают ломтиками, кубиками или измельчают и в таком виде он поступает в продажу. Гриб от природы является волокнистым (одна из причин, по которой он был выбран), поэтому ему легко придать консистенцию мяса.

Когда речь идет об употреблении человеком, важны не только экономические факторы, но и целый ряд других. Необходимо соблюдать очень строгие правила безопасности, а питательная ценность продукта должна быть достаточно высокой. Продолжительные исследования, которые проводились в течение более 10 лет, не выявили долговременных вредных эффектов. В исследованиях использовались не менее четырех поколений одиннадцати видов животных, включая крыс, свиней и коров. Прежде чем продукт поступил в продажу, проводили испытания и на людях, добровольно согласившихся попробовать микопротеин. Полученный в результате продукт по некоторым свойствам оказался более полезным для здоровья, чем мясо. В табл. 12.5 приведен его состав в сравнении с некоторыми типичными белками животного происхождения. Он не содержит холестерола и в отличие от мяса содержит много волокон. В нем мало жира и «калорий» (энергии); для него характерно хорошее соотношение между полиненасыщенными и насыщенными жирными кислотами (см. разд. 8.7). Он является хорошим источником витамина В12 и цинка, которые часто отсутствуют в рационе вегетарианцев.

При переходе на новую пищу нужно преодолеть и психологический барьер. Очень важно, как представить новый продукт, включая упаковку и рекламу (рис. 12.21). Запах, цвет, вкус и консистенция должны быть тщательно спланированы. Первоначально было решено рекламировать кворн в качестве заменителя мяса. Его легко можно было соединить в волокна, прекрасно имитирующие структуру мяса, и ароматизировать, придав вкус курицы или даже говядины.

Таблица 12.5. Типичный состав микопротеина «кворн» в сравнении с традиционными белками животного происхождения

"Водородные" биотехнологии

В Институте биофизики СО РАН (Красноярск) разработаны уникальные технологии получения целевых продуктов с использованием водородокисляющих микроорганизмов. Технологии синтеза белка одноклеточных и разрушаемых биопластиков реализованы в условиях созданных опытных производств

Биотехнологии, основанные на использовании потенциала живых систем, способны решать ключевые проблемы жизнеобеспечения: производство пищи, минерального сырья и энергоресурсов, создание новых материалов, средств диагностики и лечения, утилизация токсических отходов и многое другое.

В связи с этим особый интерес представляют водородные бактерии, продуцирующие сотни разнообразных органических соединений из углекислого газа за счет энергии, получаемой в реакции окисления водорода.

Открытие хемоавтотрофии как нового способа жизни принадлежит нашему выдающемуся соотечественнику С. Н. Виноградскому. Практический интерес к подобным микроорганизмам впервые возник в 1970-е г.: их предлагали использовать в качестве регенеративного звена в космических замкнутых системах жизнеобеспечения. В России активные исследования водородокисляющих бактерий начались по инициативе академика Г.А. Заварзина в Институте микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН (Москва), где были выделены, систематизированы и описаны представители этой интереснейшей микробиологической группы.

Предложение о сотрудничестве московских микробиологов и красноярских биофизиков принадлежало академику И.И. Гительзону. Откликнувшись на приглашение Гительзона, в январе 1968 г. в Красноярск с образцами бактериальных культур прилетел академик Заварзин. Так было положено начало исследованиям в области водородного биосинтеза в Институте биофизики СО РАН.

За сравнительно короткий срок удалось разработать серию лабораторных установок для массового культивирования бактерий, получить и исследовать устойчивую проточную культуру. Был накоплен обширный экспериментальный материал по кинетике и физиологии роста бактерий, изучено изменение их метаболизма под воздействием разных факторов.

На основе этих наработок в1980-е гг. было создано опытное производство нового кормового препарата – биомассы водородных бактерий (БВБ). Серия зоотехнических, ветеринарных, медико-биологических и токсикологических экспериментов на сельскохозяйственных животных и пушных зверях показала, что продукт как источник белка обладает высокой пищевой ценностью.

После принятия решения о создании опытно-промышленного производства БВБ начались масштабные исследования, направленные на расширение сырьевой базы с целью снижения себестоимости продукта. В ходе работы проводилось изучение штаммов, обладающих устойчивостью к действию монооксида углерода (угарного газа). В результате совместно с украинским Институтом газа и Институтом химии и химической технологии СО РАН были разработаны технологии синтеза БВБ с использованием конвертированного газа и продуктов газификации низкосортных бурых углей.

Другая технология, основанная на использовании потенциала водородных бактерий, созданная в Красноярске, — синтез разрушаемых высокомолекулярных полимеров, которые в перспективе должны заменить синтетические пластики. Не так давно ряд активно азрабатываемых и уже применяемых биоразрушающихся соединений пополнился полигидроксиалканоатами (ПГА) – классом природных макромолекул, синтезируемых бактериями с использованием различных субстратов. ПГА являются биологическим аналогом полиолефинов – синтетических полимеров, получаемых из углеводородного сырья (самый известный представитель – полиэтилен).

Как оказалось, водородные бактерии в определенных условиях способны не только производить большие количества ПГА (до 90 % от массы вещества клетки!), но и синтезировать полимеры различной химической структуры. В ИБФ СО РАН разработаны технологии синтеза последних не только на водороде, но и на сахарах, растительных гидролизатах, ацетате. Работа перешагнула масштабы лаборатории: совместно с НИИ «Биохиммаш» (Москва) было создано опытное производство биотехнологического продукта под торговой маркой «БИОПЛАСТОТАН».

Но получение нового материала — лишь часть задачи. Следующим важным этапом стала переработка полимеров в специализированные изделия в виде мононитей, гибких пленок, микрочастиц, объемных конструкций с помощью различных технологических приемов. Оказалось, что изделия из ПГА эффективны в качестве эндопротезов, шовного материала, остеозамещающих имплантатов, матрикса для адресной доставки лекарственных препаратов в организме. В настоящее время серия экспериментальных образцов медико-биологического назначения марки «БИОПЛАСТОТАН» уже проходит клинические испытания.

Однако применение биоразрушаемых бактериальных полимеров не исчерпывается областью медицины. Помимо прочего, «Биопластотан» можно использовать в качестве матрикса для депонирования и адресной доставки удобрений и ядохимикатов, что позволит сократить масштабы применения этих экологически небезопасных веществ и воспрепятствует их накоплению в биосфере.

Команда ученых-разработчиков сегодня занята еще одной важной задачей – исследованием закономерностей разрушения полимерных изделий из ПГА в природных условиях. Уже изучена скорость деградации продуктов из «Биопластотана» в почвах, пресных и соленых водоемах, а также в тропических условиях. По понятным причинам упаковка из биоразрушаемого пластика – пока непозволительная роскошь. Однако техногенная деятельность человека сегодня ставит под угрозу само его существование на планете как вида. Поэтому переход на новые, экологически безопасные технологии – залог гармонизации взаимоотношений между обществом и природой.

Д. б. н. Т. Г. Волова (Институт биофизики СО РАН, Красноярск)

Литература Волова Т. Г., Севастьянов В. И., Шишацкая Е. И. Полиоксиалканоаты – биоразрушаемые полимеры для медицины. Новосибирск: Наука, 2003; Красноярск: Платина, 2006.

Т. Г. Волова. Перспективный пластик для медицины. //НАУКА из первых рук. № 2(26). С. 18—19.

Белок леггемоглобин из клубеньков бобовых может стать важным компонентом «альтернативного мяса» из растительного сырья. Дополнительный способ его получения — синтез в бактериях, дрожжах и других микроорганизмах. Российские ученые исследовали производство этого белка в активном оксигенированном (насыщенном кислородом) состоянии в кишечной палочке при помощи гена леггемоглобина из сои. О результатах они рассказали на страницах журнала Molecules. Работа проводилась в рамках НЦМУ «Агротехнологии будущего».

В центре молекулы гемоглобина находится гем — «ядро» с железом, которое очень эффективно присоединяет и прочно удерживает кислород и оксид азота. Благодаря этой особенности гемоглобин отвечает за транспортировку кислорода не только в человеческой крови: некоторые растения тоже научились его применять. Бобовые пользуются своей разновидностью этого белка — леггемоглобином (или легоглобином). Он накапливается в азотфиксирующих клубеньках бобовых растений, где помогает снабжать живущие там симбиотические бактерии кислородом для дыхания и выполняет множество других функций. Однако если синтезировать его в клетках микроорганизмов, этот белок может вести себя и как антиоксидант, и как окислитель, рискуя повредить клетки из-за образования свободных радикалов. Сотрудники ФИЦ Биотехнологии РАН решили проверить, как будет работать леггемоглобин в бактериях Escherichia coli, и узнать, в какой концентрации и в каком виде культура клеток может производить леггемоглобин безопасно для себя.

«Долгое время леггемоглобин исследовали только как компонент азотфиксирующих систем растений, от которых зависит урожай бобовых. Однако за последние несколько лет интерес к этому белку возрос. Дело в том, что в пищевой промышленности повышается спрос на растительные белки, которые могут быть использованы как сырье для так называемого «растительного мяса». Леггемоглобин, который делает содержимое клубеньков похожим на кровь, может стать ингредиентом для таких продуктов — в том числе потому, что он содержит железо в форме, которая легко усваивается человеческим организмом — в той же форме, в какой оно содержится в гемоглобине человека. Возможно, основным источником леггемоглобина в промышленных масштабах будет соя. Это растение сравнительно легко выращивать, а его клубеньки содержат нужный белок в больших концентрациях. Альтернативный способ — получение леггемоглобина биотехнологическими методами. Для этого гены, отвечающие за его синтез, помещают в клетки бактерий, дрожжей или других микроорганизмов», — комментирует свою работу доктор биологических наук Алексей Топунов, заведующий лабораторией азотфиксации и метаболизма азота ФИЦ Биотехнологии РАН.

В предыдущих работах российские биологи продемонстрировали, что ферменты бактерий могут помочь поддерживать синтезированный леггемоглобин в активном восстановленном состоянии. Однако леггемоглобин — чужеродный для бактерий и очень активный белок, и его присутствие может нарушить стабильность биохимических процессов, необходимых для жизни клетки. В новой работе биологи проверили, будет ли производство леггемоглобина сильным окислительным стрессом для клетки, или же, как в некоторых аналогичных системах, бактерия найдет способы противостоять этому эффекту. В экспериментах использовались три клеточные культуры кишечной палочки: одна из них синтезировала нужный белок в небольших количествах, другая — в больших, а третья, контрольная, не синтезировала вообще.

При помощи различных биохимических и физико-химических методов ученые проанализировали взаимодействие леггемоглобина с веществами, вызывающими клеточный стресс — соединениями оксида азота и активными формами кислорода. Несмотря на работу бактериальных ферментов, которые противостоят окислительному стрессу, леггемоглобин сделал E. coli более чувствительными к такому воздействию.

«В использованной бактериальной системе прооксидантное (окислительное) действие леггемоглобина преобладало над антиоксидантным. Это можно объяснили тем, что на производство нового белка клетки затрачивали дополнительную энергию и ресурсы, поэтому бактериям было труднее еще и нейтрализовать окислительные эффекты, а, кроме того, и сам леггемоглобин мог переходить в другую форму и становиться более сильным окислителем. Полученные данные помогут лучше разобраться в механизмах работы этого белка как в клубеньках, так и в микроорганизмах, что поможет в синтезе этого белка и других гемоглобинов методами биотехнологии», — уверен Алексей Топунов.

Читайте также: