Чтение онлайн

Чаще всего для биотехнологических процессов требуется даже охлаждение. Дело в том, что плесневые грибы и другие микроорганизмы при потреблении питательных веществ продуцируют тепло, избыток которого выделяется. Поэтому во избежание смертельного для микромира перегрева стенки биореакторов нужно охлаждать водой.

Для ускорения превращения веществ в химических производствах нередко требуются высокие давления, но для этого тоже необходим расход энергии! Микробам же для их деятельности достаточно нормального давления.

В течение всего срока работы биореактора много хлопот с невидимыми нарушителями запланированного хода микробиологического процесса. Что пользы от наилучшего штамма-продуцента пенициллина, если другие, нежелательные микроорганизмы поглотят в биореакторе питательные вещества, подавят рост «наших» грибов или даже выделят в питательный раствор ядовитые вещества? Во избежание этого питательная среда, а также нагнетаемый воздух должны быть подвергнуты кратковременному прогреванию, чтобы освободиться от микроорганизмов (этот процесс называется стерилизацией, от лат. sterilis — бесплодный). Для стерилизации биореакторов используется водяной пар, который пропускают через биореакторы непосредственно перед засевом в них микроорганизмов.

Высокие температуры с этой целью используются и в домашнем хозяйстве, и в пищевой промышленности. Чтобы убить «зародышей», то есть вредных микробов, в молоке, мы полагаем достаточным простого кипячения или пастеризации. И при обработке фруктов или при изготовлении консервов бактерий и большую часть грибных спор тоже убивают с помощью нагревания. Поскольку при этом все сосуды герметически закрываются (закупориваются), туда не могут проникнуть ни новые микробы, ни кислород, необходимый для развития большинства микроорганизмов. Вот если в консервы проникнет воздух, они будут испорчены. Например, в стеклянных банках с компотами, которые были недостаточно плотно закрыты, можно увидеть плесень.

Впрочем, консервы «изобрёл» без всякого знания о существовании микробов ещё за 50 лет до открытий Пастера французский повар Никола Аппер (1752—1841). В 1795 г. Наполеон назначил награду за изобретение способа длительного предохранения от порчи продуктов питания, необходимых для снабжения его армии во время походов. Над этой проблемой Аппер проработал 14 лет. Он нагревал пищевые продукты и герметически закупоривал сосуды пробками. После этого его консервы могли храниться месяцами. За свое изобретение Аппер в 1809 г. получил награду в 12 000 франков; он опубликовал описание своей методики и стал основоположником современной консервной промышленности.

Однако, для того чтобы замедлить нежелательное размножение микроорганизмов, можно наряду с сильным нагреванием использовать также охлаждение. Поскольку для развития большинства микробов требуется тепло, то пищевые продукты сохраняют в холодильниках или замораживают в низкотемпературных морозильниках. При этом имеет место лишь временное подавление развития микробов, но не их гибель. Многие микроорганизмы без всякого вреда для себя выдерживают даже температуры жидкого водорода, то есть вплоть до –250 °С. Размороженные пищевые продукты должны быть немедленно употреблены в пищу, иначе они послужат идеальной питательной средой для «пробуждённых из ледяного оцепенения» микробов.

Микробам для жизнедеятельности постоянно требуется вода, поэтому путём высушивания можно воспрепятствовать их развитию (например, это реализуется при заготовке чернослива и сушёной рыбы). При закладке в рассол (например, при солении сельди) или в крепкие сахарные растворы (сиропы) у микробных клеток также отнимается вода, они «сморщиваются», высыхают и прекращают развитие. Наконец, человек нашёл вещества, подавляющие развитие микроорганизмов и вошедшие в состав дезинфицирующих средств.

Когда же, несмотря на все заботы о стерильности и чистоте, в биореакторе «берут верх» нежелательные поселенцы, то волей-неволей приходится реактор полностью опорожнять, а затем подвергать очистке и стерилизации все его части. Процесс производства пенициллина длится не менее двух недель, и если его приходится прерывать до получения результатов, то это означает значительный финансовый ущерб. Вот почему стерильность — это основное и важнейшее требование биотехнологического процесса!

Ну, а если процесс завершился успешно? Тогда можно «собрать урожай». Например, в биореакторе получают пенициллин. Вязкую массу, содержащую плесневые грибы, остатки питательных веществ и пенициллин, выливают из реактора. Пенициллин выделяется грибами в питательный раствор, поэтому его получение очень просто: микробные клетки отфильтровывают, после этого растворённый пенициллин образует в прозрачном питательном растворе твёрдые кристаллы, которые оседают на дно резервуара и легко отделяются. Однако существуют и такие продукты, которые не выделяются микробами в питательный раствор. Тогда приходится разрушать микробные клетки и с большим трудом отделять нужные продукты от остального клеточного содержимого. Разумеется, в связи с этим получение таких веществ значительно удорожается.

Из рассказа о пенициллине становится довольно понятным, какую работу должны проделать специалисты-биотехнологи, чтобы осуществилась вся «цепочка» от научного открытия до биотехнологического продукта. Получение пенициллина стало очень важным этапом в становлении современной биопромышленности. В 1945 г. главные участники создания пенициллина Флеминг, Флори и Чейн получили за свою работу Нобелевскую премию.

В 1945 г., производство пенициллина достигло уже полтонны. Тем не менее оставалось неясным, почему, собственно, пенициллин оказывает смертоносное воздействие на определённых микробов. В настоящее время полагают, что пенициллин «по ошибке» поглощается вместе с питательными веществами растущими бактериями. После каждого деления бактериальные клетки должны строить новые клеточные стенки. Однако пенициллин мешает «построению стенок». В результате нарушающего действия пенициллина в клеточных стенках образуются «негерметичные участки», что является катастрофой для бактерий: дефектные стенки не в состоянии выдержать внутреннее давление клеток, они лопаются. Таким образом, пенициллин подавляет только стадию размножения, но не убивает взрослых бактерий! Именно поэтому в случае заболевания недостаточно применять пенициллин только один раз. Пенициллин поражает бактерию лишь в тот момент, когда она делится. Поэтому для надёжности необходимо давать пенициллин в течение нескольких дней. Очень опасно, вопреки предписанию врача, самовольно прерывать лечение пенициллином, как только самочувствие несколько улучшится! В этом случае выжившие бактерии быстренько «поправляются», размножаются и пациент заболевает повторно [14] .

Но и бактерии «обороняются» от пенициллина. Они вырабатывают в своих клетках особые ферменты, которые инактивируют проникающий в них пенициллин. Эти ферменты названы своим первооткрывателем Эрнестом Борисом Чейном пенициллиназами. Содержащие эти ферменты бактерии невосприимчивы (резистентны) к действию пенициллина. Для подавления бактерий, способных образовывать пенициллиназы, требуется применять более высокие дозы пенициллина. Тогда пенициллиназы «не справляются» с достаточно быстрым «раскалыванием» смертоносного пенициллина. Но это всего лишь вопрос времени, пока новые бактериальные штаммы не приспособятся к повышенным количествам пенициллина и не начнут вырабатывать ещё более активные пенициллиназы для своей защиты.

И всё-таки микробов удалось «перехитрить». Пенициллин, выработанный плесневыми грибами, незначительно видоизменяют при помощи специальных ферментов, так что хотя он по-прежнему подавляет бактерии, однако уже не «распознается» их пенициллиназами и поэтому не разрушается ими. Таким образом, идёт постоянное «состязание» с микробами, причём для эффективной борьбы человек должен быть всегда «на корпус» впереди. Одновременно происходит интенсивный поиск новых средств против возбудителей болезней.

Когда пенициллин начал своё победное шествие, то поначалу думали, что найдено средство против всех бактерий на свете. Но вскоре выяснилось, что некоторые бактерии имеют клеточные стенки, построенные совсем иначе. Для них пенициллин ничего не значит! К сожалению, к таким бактериям относится и возбудитель туберкулёза — микобактерия. Однако уже в 1941 г. и эта «брешь» была закрыта американским микробиологом Зельманом Ваксманом (1883—1973). Он выделил из почвы микроорганизмы стрептомицеты. Кстати, именно они обусловливают запах, который исходит от земли. Эти стрептомицеты продуцируют биологически активное вещество, которое Ваксман назвал стрептомицином. Кроме того, он же предложил называть антибиотиками все вещества, образуемые микроорганизмами и способные подавить, повредить или убить других микробов (antibioticum — против жизни). Стрептомицин является антибиотиком, чрезвычайно активным против возбудителя туберкулёза. За свою работу Ваксман получил в 1952 г. Нобелевскую премию.