Роль биотехнологии в решении глобальных проблем

 

 

 

4 Биотехнология и пищевая промышленность

 

 

    Микроорганизмы, культуры растительных клеток могут дать пищевые добавки, выгодно отличающиеся своей «натуральностью» от синтетических продуктов, преобладающих в настоящее время. В будущем кулинар сможет добавить в изделие аромат земляники или винограда, масло чеснока или мяты — продукты, образуемые в биореакторах с растительными клетками.

Все большее значение приобретают низкокалорийные, не опасные для больных диабетом заменители сахарозы, в первую очередь фруктоза — продукт превращения глюкозы при участии иммобилизованной глюкоизомеразы. В некоторых продуктах применяют глицин, дающий в комбинации с аспарагиновой кислотой различные оттенки сладкого и кислого. Планируют пищевое применение очень сладкого дипептида аснартама и особенно 100—200-звенных пептидов тауматина и монеллина, которые слаще сахарозы в 10 тыс. раз. В виде мультимера аспартам получен с помощью генноинженерных мутантов Е. coli, недавно клонирован также ген тауматина.

    Немаловажную роль играют ныне в пищевой промышленности ферменты. С их помощью осветляю! фруктовые соки, производят безлактозное (диетическое) молоко, размягчают мясо. Большие возможности в плане повышения питательной ценности представляет добавление в продукты питания витаминов и аминокислот. Ряд аминокислот производят с применением микробов-сверхпродуцентов, полученных с применением методов генетической инженерии. Так, генноинженерный штамм E. coli синтезирует до 30 г/л L-треонина за 40 ч культивирования. Важный аспект биотехнологии — улучшение штаммов промышленных микроорганизмов. Основные приложения биотехнологии к пищевой промышленности суммированы в [табл. 3].

    Биомасса одноклеточных в перспективе может употребляться как пищевая добавка. Основные принципы получения белка в пищу те же, что и для производства кормового белка, однако крут допустимых субстратов более ограничен, в требования к компонентному составу биомассы более жесткие. В пищевой биомассе должно содержаться не менее 80% белка сбалансированного аминокислотного состава, не более 2% нуклеиновых кислот и 1% липидов (М. Г. Безруков, 1985). Необходимы детальные токсикологические и медико-биологические исследования с последующим клиническим испытанием пищевых препаратов биомассы (В. Г. Высоцкий, 1985)

    Психологический барьер, на который наталкивается произ водство «микробной пиши» в странах Европы и Японии, связан не только с прямым риском подвергнуться интоксикации, но и с сомнительными вкусовыми достоинствами этой «пищи будущего». Эксперт по проблемам питания, попробовав образец бактериальной биомассы, заметил: «Она имеет все те свойства, которыми должна обладать новая человеческая пища: не имеет ни запаха, ни цвета, ни структуры, ни вкуса».

    Остается выразить надежду на то, что в эпоху, когда белок одноклеточных войдет в употребление, биотехнология сможет в полной мере использовать созданный ею же потенциал растительных и микробных клеток как продуцентов вкусовых, ароматизирующих и структурирующих пищу добавок. Перспективным представляется культивирование грибов (Fusarium), цианобак-терий (Spirulina), зеленых водорослей (Chlorella, Scenedesmus), имеющих консистенцию и другие органолептические свойства, более привычные для человека. Волокнистую массу Fusarium на базе картофельного или пшеничного крахмала как источник пищи для человека производит ныне компания Rank Hovis Me. Dougall.

 

 

 

 

 

 

    Таблица 3- Перспективы использования биотехнологических продуктов в пищевой промышленности (по П. П. Клесову, 1984; М. Haas, 1984; J. Kas, 1984; О. Volfova, 1984; О. Sahai, M. Knuth, 1985)

 

Продукт	Примеры	Применение в  пищевой  промышленности
Аминокислоты	Цистеин,      метионин, лизин	Повышение питательной ценности пищи (в том числе белка одноклеточных)
	Глутамат	Усиление    аромата    мясных,    рыбных, грибных изделий
	Глицин, аспартат	Придание   кондитерским    изделиям    и напиткам кисло-сладкого вкуса
Олигопептиды	Аспартам, тауматин, монеллин	Низкокалорийные, очень  сладкие вещества
Ферменты	Амилаза	Гидролиз  крахмала  при   производстве спирта,  вин,   в   пивоварении,   хлебопечении, изготовлении кондитерских изделий и детского питания
	Глюкоамила-за	Получение глюкозы, удаление остаточных декстринов из пива
	Инвертаза	Производство кондитерских изделий
	Пуллуланаза	Производство мальтозных (в сочетании с амилазой)  или  глюкозных (в сочетании с глюкоамилазой)  сиропов из крахмала,     предварительно     обработанного амилазой
	Галактози-даза	Производство    безлактозного    молока, освобождение    молочной    сыворотки    от лактозы, приготовление мороженого
	Целлюлозы	Приготовление растворимого кофе, морковного джема, улучшение консистенции грибов и овощей, обработка цитрусовых
	Пектиназы	Осветление   вин   и   фруктовых   соков, обработка  цитрусовых
	Микробные протеазы	Сыроварение,    ускорение    созревания теста, производство крекеров
	Пепсин,        папаин	Осветление пива
	Фицин,     трипсин,      бромелаин	Ускорение маринования  рыбы, удаление мяса с костей
	Липазы	Придание специфического аромата сыру,     шоколаду,     молочным     продуктам, улучшение     качества     взбитых    яичных белков
	Глюкозооксидаза в сочетании  с каталазой	Удаление кислорода из сухого молока, кофе, пива, майонезов, лимонных, апельсиновых и виноградных соков
Витамины	А,   В1,   В2,   В6, В12, С, D, Е, никотиновая    кислота С, Е	Повышение питательной  ценности  пищевых продуктов Антиоксиданты
Терпены и родственные   соединения	Гераниол,     нерол	Ароматизаторы
Органические кислоты	Уксусная,   бен-зойная, молочная, глюконовая,    лимонная	Консерванты, ароматизаторы

 

5 Биогеотехнология

 

 

    Приложения биотехнологии к добыче, обогащению и перераработке руд, отделению и концентрированию металлов из сточных вод как вторичного сырья, экстракции остаточных порций нефти из иссякающих месторождений относятся к области биогео-технологии. Большую роль в этих процессах играют микроорганизмы, способные жить в недрах Земли и осуществлять там химические превращения.

    Способностью переводить металлы в растворимые соединения (выщелачивание металлов из руд) обладают различные бактерии. Например, окисляя их серной кислотой, которая образуется этой бактерией из сульфида (Г. И. Ка-равайко, 1984). Chromobacterium violaceum растворяет золото по схеме Au-vAu(CN)₂ (A. D. Smith, R. J. Hunt, 1985). Технологии подобных процессов подкупают своей простотой: для извлечения остатков меди, урана, никеля из «пустых пород» горнорудного производства их обливают водой и собирают вытекающие продукты жизнедеятельности микроорганизмов — растворимые соединения (CuSO4, UO|⁺ и т. д.). Метод бактериального выщелачивания позволяет рассматривать разработку бедных месторождений как экономически выгодное предприятие. В США бедные никелевые руды, содержащие всего около 1 кг Ni на 1 т породы, предполагают «выдать на гора» с применением бактериального выщелачивания.

    Если речь идет об извлечении металлов из сточных вод, то большое значение придается таким микроорганизмам, как Citrobacter sp. (L. Е. Macaskie Thiobacillus ferrooxydans выщелачивает железо, медь, цинк, уран и другие металлы,, А. С. R. Dean, 1985), Zoogloea ramigera, клетки и внеклеточные полисахариды которой извлекают U, Си, Cd (Г. И. Каравайко, 1984). Велика хелирующая способность грибной биомассы, что, учитывая сравнительную дешевизну ее наработки в больших количествах, открывает перспективы не только для концентрирования металлов (РЬ, Hg, Zn, Cu, Ni, Co, Mn, Cr, Ag, Au, Pt, Pd) из растворов, где они присутствуют в следовых количествах (Г'. И. Каравайко, 1984), но и для освобождения растворов от радиоактивных примесей (дезактивации).

    Ксантан, внеклеточный полисахарид бактерии Xanthomonas campestris, может применяться для извлечения нефти из иссякающих месторождений. Остаточные порции нефти обычно адсорбируются на различных породах, содержащихся в нефтеносных пластах, и не вымываются из них водой. Раствор ксантана в воде обладает, однако, высокой вязкостью и при закачке в пласты под повышенным давлением высвобождает капли нефти из всех трещин и углублений нефтеносных пород (S. Prentis,

1984). Бактерии-деэмульгаторы,  например Nocardia sp, Rhodoco-сеик rhodochrous, разделяют водную и нефтяную фазы, что может быть использовано как для конценгрирования нефти, так и для очистки сточных вод от нефтяных примесей, создающих угрозу для окружающей среды.

    Пересечение различных сфер приложения биотехнологии (в нашем примере — биогеотехнологической и природоохранной) составляет характерную особенность ее современного этапа развития. Генноинженерные штаммы псевдомонад, утилизирующие сырую нефть, допускают, по меньшей мере, две сферы применения: получение биомассы на базе необ работанной нефти и предотвращение нефтяного загрязнения окружающей среды, в частности устранения нефтяных пленок на поверхности вод морей и океанов.

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

 

    Нет сомнения, потенциал биотехнологии в наши дни велик. Ей дано — пусть в определенных границах — перевивать поновому «нить жизни» — ДНК — методами генетической и клеточной инженерии, создавать биообъекты по заранее заданным параметрам и, как обычно добавляют, на благо человечества.

Но, накопленный разносторонний потенциал современной биотехнологии — это обоюдоострый меч, который, подобно другим новым отраслям научно-технического прогресса, сформировавшимся в XX в. (ядерная энергетика, компьютерная электроника, космонавтика), может принести не только пользу, но и вред при бесконтрольном, неосторожном и тем более злонамеренном применении. Так, в распространении методов генетической инженерии существует угроза заражения людей невиданными болезнетворными «генетическими монстрами», создания новых разновидностей злостных сорняков и даже выведения «стандартных людей» по заранее заданным программам. Потенциальную угрозу, заключающуюся в развитии биотехнологии, нельзя ни преувеличивать, ни преуменьшать, она в значительной мере определяется не чисто научно-техническими, а этическими и социально-политическими факторами.

    Биотехнология представляется «страной контрастов», сочетания самых передовых достижений научно-технического прогресса с определенным возвратом к прошлому, выражающимся в использовании живой природы как источника полезных для человека продуктов вместо химической индустрии.

Значительные контрасты  характерны для биотехнологии и  в отношении необходимых для  ее развития финансовых средств, сырьевых материалов и кадров. Есть биотехнологические разработки, требующие весьма внушительных капиталовложений, концентрации усилий крупных коллективов научных работников, инженерно-технических и управленческих кадров, дорогостоящего сырья и оборудования (многие генноинженерные разработки, биотехнологические процессы с применением автоматизированных систем управления). Это так называемая «большая биотехнология». Ей противостоит «малая биотехнология» (получение биогаза, выращивание микроводорослей в прудах), обходящаяся во многом даровыми источниками энергии и сырья, низкими капиталовложениями, небольшими затратами труда.

    Все направления современной биотехнологии должны служить всему человечеству, а не только тем, кто способен финансировать развитие той или иной отрасли. В частности, развивающиеся страны должны получить доступ к «большой биотехнологии», которая им пока во многом «не по карману». Генно-инженерная вакцина против малярии необходима для стран Африки, где от малярии погибает более миллиона детей в год. Настоятельной необходимостью является международная координация усилий биотехнологов, всех заинтересованных стран. В рамках государств — участников СЭВ такая координация предусмотрена в Комплексной программе научно-технического прогресса, рассчитанной на период до 2000 г.

    Биотехнология — междисциплинарная область научно-технического прогресса. Она весьма гетерогенна по своему теоретическому базису, потому что призвана исследовать не какой-либо класс объектов, а решать определенный круг комплексных проблем. Одной из них является, например, поиск дешевого заменителя тростникового (свекловичного) сахара, и армия биотехнологов берется за дело, сочетая в своей деятельности элементы различных наук: методы микробиологии, необходимые для выращивания микроорганизма, биохимии — для выделения глюкоизомеразы (дающей глюкозо-фруктозный сироп при использовании глюкозы как субстрата), органического синтеза— для получения полимерного носителя, а при регулировке параметров системы с иммобилизованным ферментом необходимы физико-химические расчеты. Можно добавить еще, что для повышения эффективности биосинтеза глюкоизомеразы могут быть использованы методы генетической и клеточной инженерии.

    Круг вопросов, к решению которых привлекают биотехнологические разработки, весьма широк. Однако большинство из них прямо или косвенно связано с глобальными проблемами, стоящими перед современной цивилизацией: загрязнение окружающей среды, угроза экологического кризиса; истощение запасов полезных ископаемых, в первую очередь источников энергии, угроза мирового энергетического кризиса; нехватка продовольствия, особенно ощутимая в развивающихся странах.

    Слова «биология» и «биотехнология» различаются лишь тем, что в слове «биотехнология» есть вставка «техно». И биология, и биотехнология имеют дело с живыми объектами, но как различны их подходы к живому! Биотехнолог изучает живое не из чисто познавательного интереса, он пытается «заставить» работать живые объекты, производить нужные человеку продукты. «Зачем брать на себя труд изготовления химических соединений, если микроб может сделать это за нас?», — говорил Дж. Б. С. Холдейн еще в 1929 г., предвосхищая грядущий расцвет биотехнологии. В современной биотехнологии живое рассматривается как средство производства в ряду всех прочих средств; например, при биологической трансформации органических соединений микроорганизмам отводят роль химических реагентов. Не случайна и стандартная для инженерной энзи-мологии метафора, уподобляющая иммобилизованные биообъекты «закованным в цепи рабам». Биообъект, таким образом, понижают в ранге, переводя из категории самостоятельной целостной живой системы в категорию реагентов, датчиков, реле, компьютерных деталей, прочих орудий модернизированного производства.