Чтение онлайн

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)!

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] .

Со временем раскрываются всё новые свойства аминокислот и белков. Так, японские исследователи нашли «мини-белок», молекула которого состоит из двух аминокислотных остатков и который обладает вкусом поваренной соли! Из одной из солей глутамата создано даже «аминокислотное» мыло. Оно образует нежную пену (напоминающую пену взбитого «метёлкой» («венчиком») белка куриного яйца) и благодаря своему биологическому происхождению очень хорошо переносится даже чувствительной кожей. Более того, это мыло съедобно!

Наряду с аминокислотами человеку и животным требуются также витамины. Большинство витаминов помогают клеточным ферментам в их работе, и, подобно ферментам, их можно тысячекратно использовать повторно, поэтому они требуются всего лишь в следовых количествах. Но если витамины почему-либо отсутствуют, то и ферменты, и клетки и как следствие этого сами живые существа перестают правильно функционировать. Мы поглощаем витамины с фруктами, овощами, мясом, молоком и яйцами. Однако в животноводстве требуются очень дешевые витамины. В настоящее время при помощи бактерий (пропионовые бактерии Pseudomonas) и гриба Ashbya можно, например, очень недорого получать витамины так называемой группы B. Кстати, производственные штаммы этих микробов продуцируют по сравнению со своими природными («дикими») «родичами» в 20 000 раз больше витамина B2 и в 50 000 раз больше витамина B12.

Иммобилизованные ферменты применяются также для производства аминокислот. Ферментативные процессы, подобно всем другим биотехнологическим процессам, идут при температурах не выше 100 °С, нормальном давлении и не требуют ни подщелачивания, ни подкисления.

При создании новых видов антибиотиков, устойчивости к которым у микробов ещё не существует, тоже используются иммобилизованные ферменты. Они изменяют в определённых местах строение известных, продуцируемых микробами антибиотиков, после чего ферменты болезнетворных микроорганизмов, например пенициллиназы, уже не в состоянии «распознать» эти антибиотики «как микробные яды» и потому не могут их инактивировать.

Кроме того, иммобилизованные ферменты способны направленно разлагать ядовитые вещества в сточных водах. Исключительно сильными и к тому же с трудом устраняемыми ядами, возникающими в промышленности в качестве побочных продуктов, являются синильная кислота и её соли цианиды (наиболее известен цианид калия — цианистый калий). Было обнаружено, что многие растения постоянно выделяют цианид в почву, чтобы защитить себя от вредителей, но что даже в непосредственной близости от растений для некоторых микробов этот яд неопасен. Действительно, эти микроорганизмы продуцируют «обезвреживающий» фермент цианидгидратазу, которая молниеносно преобразует ядовитый цианид в абсолютно безвредный продукт. Основываясь на этом, был разработан способ, при котором указанный фермент выделяют из низших грибов и затем помещают в биореактор, где он «обезвреживает» сточные воды, содержащие цианиды.

Сегодня в большинстве случаев ферменты используют в превращениях веществ, протекающих в одну стадию, либо если эти превращения невозможно осуществить в результате обычного химического процесса, либо если химический процесс очень сложный или дорогой.

Правда, уже предпринимаются попытки разработать технологию с последовательным «включением» нескольких ферментов, подобно тому как это происходит в любой клетке.

Однако было бы целесообразно посредством «последовательно включенных» иммобилизованных ферментов вырабатывать, например, спирт из глюкозы, так как для этого потребовалось бы использовать 12 различных сложных ферментов из дрожжевых клеток. Причём для этого их нужно было бы предварительно выделить и очистить. Пока что гораздо проще и лучше это исполняют неповреждённые живые дрожжевые клетки.

А нельзя ли, подобно ферментам, иммобилизовать и клетки? Прямо-таки удивительно, что эта мысль возникла всего несколько лет тому назад — только после того, как были успешно иммобилизованы ферменты — и оказалось, действительно: это всё функционирует!

В настоящее время уже действуют большие опытные установки для получения спирта с помощью иммобилизованных дрожжей. При этом дрожжи включены в пористые шарики. Глюкоза легко проникает через поры к дрожжам, образовавшиеся спирт и углекислый газ также легко покидает шарики. Шариками заполняют колонны биореакторов вместимостью 2000 л. Упрощённая схема такая: сверху в колонны поступает раствор сахара, а снизу из неё льётся спирт. Иммобилизованные дрожжи непрерывно «трудятся» примерно в течение четырёх месяцев и в течение всего этого времени ими продуцируется 2400 л спирта в сутки. В то же время в случае «нормального» получения спирта при помощи свободно плавающих в растворе дрожжевых клеток необходимо через каждые несколько дней регулярно заменять старые дрожжи новой партией дрожжей.