Лекция 12. Традиционная микробиологическая биотехнология и биотехнология рекомбинантных штаммов микроорганизмов.
Во второй половине XX столетия коренным образом изменилась структура микробиологической промышленности, возникли принципиально новые направления, видоизменились существовавшие производства. Изменения, которые произошли в микробиологических производствах (в технологии, аппаратурном оформлении, методах создания продуцентов и пр.), были настолько существенны, что позволяют говорить о возникновении новой отрасли - биотехнологии. Фундаментом для возникновения биотехнологии послужило внедрение в промышленную микробиологию крупных достижений середины XX в. в биологических исследованиях (микробиология, биохимия, генетика, энзимология и т.д.), в других естественных науках (химия, физика), в прикладной математике и кибернетике, в ряде технических наук (процессы и аппараты, химическая технология и т.д.).
В послевоенные годы биотехнология была не просто одной из новых технологий (“неологий”). Большинство из возникших тогда новых технологий было связано в первую очередь с военно-промышленным комплексом и вызывало у людей в основном страх. Биотехнологию рассматривали как идеальную альтернативу этим технологиям. Она только что дала новый тип лекарств – антибиотики, казавшиеся тогда панацеей от всех инфекционных болезней, и резко повысившие продолжительность жизни. От нее ждали решения проблем нищеты, голода, истощения ресурсов и загрязнения окружающей среды. Ее гуманистический потенциал был очень велик и на работу в этой области переключились многие физики, сыгравшие важнейшую роль в становлении отрасли. Например, инициатор и участник проекта по созданию американской ядерной бомбы Лео Сцилард стал одним из создателей молекулярной биологии, внес большой вклад в математическое моделирование биотехнологических процессов и много сделал для популяризации роли биотехнологии в построении более совершенного мира. В нашей стране повышению роли физиков в развитии биологии в 50-х - начале 60-х годов способствовало и то, что наиболее квалифицированные биологи, особенно их передовой отряд - генетики все еще испытывали гонения со стороны поддерживаемых властями лысенковцев. Часть генетиков, как Н.К. Тимофеев-Ресовский, уцелела под крылом у физиков-ядерщиков. В.А. Энгельгардт, создавая в 1959 г. Институт радиоационой физико-химической биологии (ныне институт молекулярной биологии РАН), собрал людей, понятия не имевших ни о молекулярной биологии, ни вообще о биологии, - чистых химиков, чистых физиков, сроднившихся в ходе совместной работы с вирусологами, биологами, биохимиками и нашедших общий язык в решении очень сложных проблем.
В 60-70 годах биотехнологию рассматривали и пропагандировали как способ использования научного потенциала богатых стран для решения проблем бедных. Основной областью ее применения считали в это время производство пищи. Биотехнология представлялась ядром, вокруг которого будут формироваться эффективные и гармонично вписанные в окружающую среду производства будущего.
Примеры традиционных биотехнологических производств.
Наиболее крупная область применения традиционной биотехнологии по масштабам и стоимости - по-прежнему пищевая промышленность (производство кисломолочных продуктов, соевого соуса, сыроварение, пивоварение, виноделие и пр.)
Вторая по экономической значимости область - собственно микробиологическая промышленность, годовая продукция которой оценивается в 30 млрд. дол., в США она прирастает на 5-7% ежегодно. Крупнотоннажной ферментацией в асептических условиях производят антибиотики, аминокислоты, промышленные ферменты, полисахариды, биопестиуиды, витамины, биополимеры и пр.
Одним из самых крупных по объему и по значению биотехнологических производств стало производство антибиотиков. Они сейчас производятся на 10-12 млрд. дол. в год. В середине XX в. они занимали первое место среди фармацевтический продукции развитых стран. Их социальное значение было очень велико, целый ряд грозных болезней надолго перестал терроризировать человечество, понизилась детская смертность и повысилась продолжительность жизни, особенно в развивающихся странах, что способствовало демографическому взрыву в развивающихся странах и старению населения в развитых.
Увеличилось количество открытых антибиотиков природного происхождения. К 1945 году было открыто лишь 32 антибиотика, к середине 70-х годов эта цифра достигла трех тысяч, а в 80-е годы - более шести тысяч. Однако в медицинской практике используются лишь десятки антибиотиков. Применительно к продуцентам антибиотиков впервые начали практически применять индуцированный мутагенез. Были разработаны принципиально новые технологические подходы для выделения и очистки антибиотиков. В СССР технология ферментации разрабатывалась в ВНИИ пенициллина (теперь ВНИИ антибиотиков).
Большое значение в организации промышленности по получению антибиотиков имело изучение их строения, путей биосинтеза их молекул, механизма их действия. Появилась возможность регулировать этот процесс за счет введения предшественников. Крупная веха в развитии этой отрасли связана с разработкой методов модификации естественных антибиотиков путем некоторых изменений в их структуре, осуществляемых химическим или биологическим путем. Большое практическое значение имело получение полусинтетических производных пенициллинов и цефалоспаринов.
Расширились области применения антибиотиков: получают специальные немедицинские антибиотики для животноводства, птицеводства, пчеловодства, растениеводства, пищевой, консервной промышленности и т.д.
Широкое (и часто неправильное) применение антибиотиков приводит к тому, что вырабатываются устойчивые к ним штаммы болезнетворных микроорганизмов и существующие антибиотики теряют эффективность. В то время, когда медики были уверены в скорой полной победе над инфекционными болезнями, появились новые болезни (СПИД и др.), и новые формы старых болезней (туберкулеза и пр.), против которых не удается найти эффективных средств борьбы. Поэтому приходится создавать все новые и новые препараты.
Биотехнологическими способами производится ряд витаминов для медицины и сельского хозяйства, хотя в ряде случаев химический синтез оказался рентабельнее и вытеснил микробиологическое производство.
Одним из направлений биотехнологии, с становлением которого связано создание в СССР крупнотоннажных производств, стало индустриальное производство белка одноклеточных. Проблема снабжения человечества белком имеет большое социальное значение, так как более половины населения земного шара (в том числе, к сожалению, и население современной России) питается неудовлетворительно, не получая, в частности, достаточного количества белка. Внимание к проблеме привлекли исследования биологов и медиков середины XXв., которые позволили выяснить, сколько белка и какого аминокислотного состава должно быть в пищевом и кормовом рационе, к каким тяжелым последствиям (серьезным заболеваниям, повышению детской смертности) приводит недостаток этих веществ в питании. В связи с ростом населения, сокращением посевных площадей из-за урбанизации, индустриализации, загрязнением океана и другими причинами, эта проблема будет обостряться, и поэтому, наряду с интенсификацией сельского хозяйства, очень важно и изыскание новых альтернативных ресурсов белковых веществ.
Перспективным источником белка является биомасса микроорганизмов. Она может содержать большое количество (40-80%) белка, полноценного по аминокислотному составу, в то время, как традиционные источники - мясо, творог, бобовые растения - содержат 16-20% белка. Продуктивность биотехнологических производств может быть очень высока: известны микроорганизмы, удваивающие свою массу за 5-30 минут, в то время, как удвоение белковой массы животных исчисляется годами или месяцами, растений - неделями. Кроме того, микробиологическим методом можно получать белок, содержащий избыток некоторых незаменимых аминокислот (например, лизина), и это делает возможным его использование для сбалансирования растительных белков, неполноценных по аминокислотному составу.
Традиционно для получения кормовых или пищевых дрожжей использовали отходы сельского хозяйства, целлюлозно-бумажной, молочной, сахарной, гидролизной и других отраслей промышленности. Пищевые дрожжи применялись во время обеих мировых войн. В 50-х годах большие надежды были связаны с куьтивированием зеленой водоросли хлореллы, были разработаны производственные процессы, но они так и не вышли из экспериментальной стадии.
В конце 50-х годов французский исследователь Л.Шампанья, работавший на British Petroleum (BP), показал возможность получения в промышленных условиях биомассы дрожжей рода Саndida за счет их выращивания на углеводородах нефти (н.парафинах), в 1962 году фирма построила первую пилотную фабрику по выпуску продукта.
Идея широкомасштабного промышленного автоматизированного производства белка, не зависящего от случайностей погоды, нашествий вредителей и болезней, отвечала технократическому духу эпохи, и во многих странах была воспринята с энтузиазмом. Она казалась быстрым решением проблемы голода и нехватки белка, особенно в развивающихся странах - тем самым использованием достиженитй богатых стран для нужд бедных, о котором мечтали биотехнологи. Крупные нефтехимические компании Великобритании, США, Франции, ФРГ, Японии разрабатывали промышленные процессы получения "белка одноклеточных" на чистых парафинах, нефтяных дистиллятах, природном газе и метаноле. В 1967 и 1973 годах проводились интернациональные конференции, где было одобрено получение "белка одноклеточных" на углеводородах. В гонку с лидером - BP - включились другие европейские компании (Shell, Hoechst, ICI), были запущены первые производства. Но санитарные органы Японии, Франции, Италии и других стран наложили запрет на применение этого продукта из-за возможного отрицательного воздействия на здоровье людей. В 1976 г. за рубежом эти предприятия были законсервированы. В 1985 г. Комиссия ЕЭС запретила использование продукта, полученного на н-парафинах из-за недостаточности данных о возможной патогенности дрожжей рода Саndida, а также о биологическом действии синтезированных этими дрожжами жирных кислот с нечетным числом атомов углерода и наличия в полученном продукте остаточных углеводородов с возможным канцерогенным действием. Кроме того, существовало мнение о нецелесообразности использования ценного невозобновляемого сырья - нефти для получения кормового продукта, в условиях наступившего нефтяного кризиса эти соображения стали играть большую роль, повышение цен на нефть сделало проект намного менее привлекательным экономически.
Работы по созданию технологии получения дрожжей на парафинах начались в СССР и странах членах СЭВ (ГДР, ЧССР и др.). Производство кормового белка на парафинах показалось руководству СССР простым решением проблем животноводства, вызванных в первую очередь неэффективной организацией сельского хозяйства, был принят ряд постановлений партии и правительства по этому поводу. На реализацию проекта были выделены большие средства. В 1963 г. для организации в промышленных условиях процесса выращивания микроорганизмов на углеводородном сырье был создан Всесоюзный институт биосинтеза белковых веществ. Над этой проблемой работали специалисты более 200 институтов страны - Институт микробиологии АН СССР, Институт биохимии и физиологии микроорганизмов АН СССР, нефтяные, сельскохозяйственные и пищевые институты и т.д. С 1964 г. проводились медико-биологические исследования безвредности и биологической ценности дрожжей рода Саndida, выращенных на парафинах. В материалах съездов КПСС, Пленумов ЦК КПСС неоднократно отмечалась необходимость увеличения выпуска кормовых дрожжей на этом сырье. В 1968 г. в Уфе был пущен опытно-промышленный завод мощностью 12 тыс. т в год. В 1970 г. было сделано заключение о высокой кормовой ценности препаратов и безвредности его применения в животноводстве и в СССР началось строительство заводов - гигантов мощностью 70-300 тыс. т по выпуску белковых дрожжей на н.парафинах, получивших название паприн. Коллектив ученых, руководивших этими исследованиями в 1971 г. был удостоен Государственной премии СССР. К 1982 г. в СССР производство паприна превысило 1 млн. т.
В 1989 г. на Всесоюзном симпозиуме, в работе которого приняли участие специалисты СССР, ГДР, КНР, НРБ, ФРГ, ЧССР, ВНР были подтверждены полученные в нашей стране данные о безвредности и высокой кормовой и биологической ценности использования паприна в животноводстве. Советский Союз стал единственной страной в мире, где кормовые дрожжи в крупных масштабах получали на углеводородах нефти. В нашей стране на этот продукт с 1969 по 1990 г. было введено четыре стандарта, в которых постепенно ужесточались требования к продукту. В 1984 г. Минздрав СССР и Министерство сельского хозяйства выдали разрешение на применение паприна для всех видов сельскохозяйственных животных и рыб.
Однако и в нашей стране периодически появлялись данные о негативных последствиях проекта. Проблема обострялась тем, что, как это часто бывает в нашей стране, был выбран наиболее дешевый вариант - негерметизированное оборудование. Технологический уровень производств, особенно систем контроля и управления, был невысок. Недостаточно эффективным оказалось также очистное оборудование, у многих специалистов вызывала сомнение безопасность используемых культур микроорганизмов (эти дрожжи - условные патогены). Все это в сочетании с крупными масштабами и низкой культурой производства (свойственной большинству отечественных гражданских технологий рассматриваемого периода) привело к тому, что вокруг предприятий, производящих паприн, воздух и водоемы заражались белковой пылью и клетками продуцента, нарушалось природное равновесие, создавалась среда, мало пригодная для жизни человека, участилась заболеваемость. Негативно сказывались и общие для всей советской промышленности авралы в конце года или квартала, падение трудовой морали в стране, и как следствие, - безответственное отношение к своим обязанностям многих работников различных уровней. Важный фактор - низкий уровень экологической грамотности и недооценка опасности экологического загрязнения руководством и большинством населения. Очистка готового продукта также была несовершенной, что делало небезопасной для человека полученную с его применением продукцию животноводства.
В 1987 г. была проведена реконструкция существовавших в России заводов, предусматривающая более полную очистку выбросов, рециркуляцию отработанных потоков. Но тем не менее в 90-х годах дорогостоящие заводы - гиганты, производящие белковую биомассу дрожжей рода Саndida на парафинах, остановились, в основном по экономическим причинам, более скромные по размерам гидролизные заводы выпускают кормовой белок на отходах производства, так бесславно окончился один из самых крупных проектов по традиционной биотехнологии в нашей стране.
В заключение хочется отметить, что, несмотря на неудачный опыт, производство белка одноклеточных в индустриальных условиях - перспективное направление в решении проблемы дефицита пищевых веществ, которая очевидно не потеряет своей актуальности ни в России, ни в мире и в XXI в. Многие биотехнологи в мире считают, что опасения были значительно преувеличены: белок одноклеточных, полученный на парафинах нефти, не более опасен, чем многие традиционные продукты, и стал жертвой предубеждения против непривычного продукта, растущего недоверия к науке и лоббирования интересов сельскохозяйственных производителей и рыболовства. Были опубликованы сотни работ, доказывающих безопасность этого белка, однако противники не верили в их результаты, считая их инспирированными заинтересованными производителями.
Значительно меньше возражений вызывают процессы, где в качестве субстрата для получения белка одноклеточных используются возобновляемые ресурсы (некачественное зерно, биомассу быстрорастущих растений), отходы промышленности (в первую очередь - пищевой) и сельского хозяйства, имеющие отрицательную себестоимость, или чистое сырье (метанол, этанол и т.д.). В этом направлении у ученых в России имеется большой задел, использование которого могло бы помочь стране выйти из зависимости от импорта продовольствия, улучшить структуру питания населения и обеспечить ее продовольственную безопасность.
Применение микробиологического синтеза для получения в индустриальных масштабах аминокислот (составных компонентов белка) - это сравнительно новая отрасль промышленности, также имеющая большое значение в решении проблемы глобального дефицита белковых веществ. Ее продукция оценивается в 2,5-3 млрд.дол. в год [Error: Reference source not found]. Для полноценного питания людей и животных важны не только количество, но аминокислотный состав белков в пище, недостаток некоторых незаменимых аминокислот может вызвать серьезные проблемы.
Первое промышленное производство глутаминовой кислоты - ценной пищевой добавки - было организована в Японии в 50-60-х годах после того как С.Киносита с сотрудниками обнаружили способность микроорганизмов к сверхсинтезу аминокислот и подобрали условия для синтеза этой кислоты в значительных количествах. Это открытие привлекло внимание ученых, появились тысячи патентов и публикаций, производство аминокислот было организовано в ряде стран. Всего в мире получают около 500 тыс. тонн аминокислот в год. В СССР технологию получения аминокислот разрабатывали В.Н.Букин, М.Е.Бекер, Ю.0.Якобсон и др. Аминокислоты применяются как добавки к пище, в медицине, в животноводстве (в качестве кормовых добавок), в растениеводстве (при синтезе средств защиты растений) и в промышленности (при синтезе полимеров, в качестве добавок к моторному топливу для улучшения эксплуатационных характеристик, для электрохимического получения различных покрытий, сплавов, в фотографии и т.д.).