Чтение онлайн

Некоторые плесневые грибы вырабатывают много, другие мало пенициллина, на этой питательной среде одни растут хорошо, а другие плохо. Разумеется, у микробов это вовсе не «леность» или «трудолюбие»; такое поведение имеет наследственную основу, то есть свойство «заложено» в данном организме. Каким образом возникают различия в наследственных свойствах? В природе постоянно происходят незначительные изменения, так называемые мутации (от лат. mutaze — изменяться), в наследственном материале. Разумеется, мутации очень редки: из одного миллиона микробов, вероятно, лишь один-единственный в своём наследственном аппарате содержит изменённый наследственный фактор (ген [12] ), то есть по всем своим другим свойствам этот микроорганизм почти не отличается от остальных 999 999, различия имеются только малые. Между тем мутация, возможно, будет причиной того, что этот микроорганизм окажется лучше остальных приспособленным к данной среде, вследствие чего он будет быстрее размножаться и передаст новое свойство своим многочисленным потомкам; благодаря этому мутант «берет верх» над своими конкурентами по питанию. Если же новое свойство, напротив, невыгодно, то такой микроб размножается менее интенсивно, либо вообще отмирает. Подобные процессы в течение миллионов лет обусловливали эволюцию всех живых существ на Земле. А теперь селекционеры микроорганизмов «разыгрывают» как бы «эволюцию в пробирке», предлагая микробам, например, совершенно новые жизненные условия и культивируя выборочно наиболее приспособившихся микробов. Этим они пытаются искусственно ускорить селекцию, то есть быстрее получить мутантов.

Уже в двадцатых годах нашего столетия ученые установили, что можно искусственно изменять наследственный материал. Так, воздействие рентгеновских лучей и определённых химических соединений приводит к увеличению числа мутаций в клетках. В этих случаях одна изменённая клетка (мутант) приходится уже на 999 неизменённых.

Но вернёмся к кистевидным плесеням. «Дынный» гриб «плесневой Марии» не менее 20 раз облучался рентгеновскими лучами, что сочеталось также с обработкой различными химическими реактивами; из каждой порции, прошедшей ту или иную обработку, отбирали наилучших пенициллинообразователей. И вот получен теперешний высокопродуктивный штамм, он очень сильно отличается от своего родоначальника, который попал в руки учёных в начале сороковых годов; в среднем 50 г пенициллина на 1 л питательного раствора — такова его производительность. Это в 1000 раз больше «выработки» гриба, росшего на той первой гнилой дыне, и в 10 000 раз больше при сравнении с продукцией гриба Флеминга!

Микробы, сильно различающиеся по своим свойствам, но относящиеся к одному виду, принято называть штаммами. Высокопродуктивные штаммы по большей части так чувствительны и так «избалованы» биотехнологами, что они просто не в состоянии выжить в нормальных природных условиях (как и многие из наших домашних животных). И в этом нет ничего удивительного. Ведь самому-то плесневому грибу — суперпроизводителю его необыкновенная способность производить в 1000 раз большее количество пенициллина по сравнению с его диким предком не приносит никакой пользы, это не его решение в борьбе за жизнь. Он принуждается к «сверхпроизводительности» человеком, который изменяет его наследственную природу и условия существования. Поэтому только в искусственно созданных условиях, при «комфортных» температурах, с избытком предпочитаемого питания, оберегаемое от природных конкурентов и врагов, это крохотное «новейшее домашнее животное» ещё способно существовать и служить производителем.

Кистевидные плесени, подобно многим микробам, растут лучше всего на сахарных растворах. Те микробы, которые, подобно растениям, содержат хлорофилл [13] , например одноклеточные водоросли, могут даже сами с помощью солнечного света производить требуемый сахар из воды и углекислого газа.

Когда во время второй мировой войны было начато культивирование плесневых грибов, то вначале применяли питательные растворы, содержащие виноградный сахар (глюкозу) и минеральные соли. Грибы потребляли сахар и быстро росли. Но почему-то они вырабатывали очень немного пенициллина. Идеальный питательный раствор, который был дёшев и в то же время оптимален для производства пенициллина был найден в пеорийской лаборатории, можно сказать, случайно. Это был жидкий кукурузный экстракт.

Лаборатория в Пеории была, собственно говоря, основана для того, чтобы найти способ утилизации этой жидкости, которая в огромных количествах образуется при производстве крахмала как побочный продукт. Кукурузный экстракт — это раствор крахмала, сахара и различных минеральных веществ. Выращиваемые на жидком кукурузном экстракте плесневые грибы стали сразу же поставлять в 25 раз больше пенициллина, чем на среде с виноградным сахаром!

Для каждого микробного вида необходимо изыскивать подходящую смесь питательных веществ подобно тому, как это было сделано для кистевидной плесени; кроме того, эта смесь должна быть недорогой. Вообще микробам можно «скармливать» любые сахаросодержащие отходы, например некоторые побочные продукты, получаемые при первичной переработке сельскохозяйственной продукции, или сточные воды целлюлозно-бумажных комбинатов. Известны микроорганизмы, утилизирующие даже твёрдые остатки от перегонки нефти и отходы пластмасс. Благодаря такой способности микроорганизмов можно использовать вещества, которые в противном случае попадают в сточные воды или другим путём отравляют окружающую среду.

И вот путём тщательной селекционной работы получены «высокопродуктивные штаммы микробов» для производства определённого вещества, например пенициллина; подобрана также оптимальная питательная среда. Однако надо ещё разработать технологическую схему крупномасштабного производства, то есть определить все условия и предложить подходящую аппаратуру.

При посещении биотехнологического предприятия совершенно напрасно высматривать чадящие дымовые трубы или ожидать, что в нос ударит какой-то «химический» запах. Вместо этого посетитель вступит в светлые, выложенные кафельными плитками помещения. В них расположены вертикальные резервуары из нержавеющей стали размером с железнодорожную цистерну; вокруг путаница трубопроводов, множество клапанов и индикаторных приборов. Снаружи под открытым небом стоят другие стальные колоссы, по своей громадности не уступающие доменным печам. Все эти стальные резервуары служат «жилищем», «яслями» и «местом работы» микробов. Это — биореакторы.

Конструкция биореактора. В биореакторе создаются оптимальные условия для жизнедеятельности и работы микробов, растительных или животных клеток. Температуру, концентрацию кислорода и кислотность среды контролируют и регулируют с помощью чувствительных элементов (датчиков). Профильтрованный стерильный воздух продувается через стерильный питательный раствор, который подвергается непрерывному перемешиванию. Все отверстия биореактора, через которые возможно проникновение чужеродных микробов, стерилизуются водяным паром. По окончании процесса весь питательный раствор с микробами и образовавшимися продуктами сливают, то есть реактор полностью опорожняют. После этого нужные продукты могут быть отделены и очищены.

Современные биореакторы появились в результате многолетней исследовательской работы. Решающим толчком для их проектирования послужила «охота» за пенициллином. Когда Флори и Чейн искали подходящую ёмкость для выращивания кистевидной плесени, то они начали с маленьких плоских стеклянных чашек, где грибы плавали на поверхности питательного раствора. Однако при такой «технологии» никогда не удалось бы получить пенициллин в количествах, достаточных для удовлетворения потребности в нём для лечебных целей. К тому же для плоских ёмкостей вообще надо довольно много места. «Вот если бы гриб мог расти не только на поверхности, но и развиваться во всем объёме питательного раствора, тогда его выращивание упростилось бы и габариты установок уменьшились»,— так приблизительно сказали себе учёные. Однако дикий штамм Penicillium notatum — «гриб Флеминга» — был способен размножаться только на поверхности. К счастью, самый лучший из новых найденных штаммов вида Penicillium chrysogenum оказался и хорошим «водолазом»! Он рос и под водой в так называемой «глубинной» культуре, при условии достаточного обеспечения кислородом, то есть когда воздух, как в аквариуме, с помощью насоса прокачивался через жидкость. Нагнетаемый воздух и специальная мешалка обеспечивали также достаточное перемешивание вязкого питательного раствора, содержащего микроорганизмы.

В биотехнологической лаборатории Академии наук ГДР (г. Иена). Лабораторный реактор «засевается» бактериями, которые могут продуцировать большие количества аминокислоты лизина. В лаборатории проверяют оптимальные условия с тем, чтобы в последующем можно было наладить производство лизина — ценной кормовой добавки — в промышленных биореакторах. Процесс в биореакторе прослеживают при помощи чувствительных элементов (датчиков), связанных с компьютером, компьютер контролирует и регулирует весь биопроцесс.

Незаполненный биореактор для крупномасштабного производства пенициллина (вид изнутри). Отчётливо видны мешалка и охлаждающая рубашка.

В настоящее время в биореакторах выращивают плесневые грибы, дрожжи, бактерии, а также водоросли. В каждом отдельном случае конструкция биореактора рассчитана именно на получение данного продукта. Например, если надо получить большие количества дрожжей, используемых как кормовая добавка, то строят гигантские биореакторы размерами с многоэтажный дом и вместимостью до 1500 м3; цилиндрические резервуары для производства дрожжей из нефти достигают примерно 40 м в высоту и 20 м в диаметре. В пенициллиновом производстве, как правило, биореакторы имеют меньшие размеры; их вместимость не превышает 100 м3. Для научно-исследовательской работы с микроорганизмами, проводимой в лаборатории, бывает достаточно мини-реакторов, вместимость которых составляет всего лишь несколько литров. И вот биотехнологический процесс в лаборатории разработан. Тут-то и необходимо взаимодействие учёных, инженеров и конструкторов; ведь биотехнологический процесс, показавший хорошие результаты в лаборатории, должен также успешно протекать в промышленных биореакторах, объём которых в тысячи раз больше.

Разумеется, для хорошего «самочувствия» микробов важное значение имеет температура питательного раствора. Для большинства микроорганизмов «комфортная» температура определяется интервалом 20—50 °C; таким образом, их наиболее высокая продуктивность попадает в диапазон от нормальной до «тропических» температур. Потому-то на биопредприятиях нет дымовых труб! В химической промышленности, напротив, при производстве различных веществ требуются поистине «адские» температуры в сотни градусов Цельсия. Для достижения таких температур приходится сжигать гигантские количества топлива (угля, нефти и природного газа). Это дорого, и, кроме того, топливные запасы во всём мире постепенно истощаются, убывают.