В будущем благодаря расширению сферы своего применения биотехнология сделает весомый вклад в повышение уровня жизни. Быстрее всего ее применение даст результаты в медицине, но в более отдаленном будущем, по мнению многих специалистов, самый большой экономический эффект будет получен от применения биотехнологии в сельском хозяйстве и химической промышленности, энергетике.
В последнее время все мы имели возможность убедиться, что благодаря применению технологии рекомбинантных ДНК были достигнуты крупные успехи в медицине. Многие фирмы, например, весьма преуспели в разработке эффективных методов промышленного производства человеческого интерферона (для этого гены человека были клонированы в микроорганизмах). Помимо гена интерферона были клонированы гены инсулина и гормона роста человека. Не приходится сомневаться, что все шире и шире в диагностике, терапии и при трансплантации клеток и тканей будут использоваться ферменты. Специфические каталитические свойства биологических систем не нашли пока столь широкого применения, как это прогнозировалось в начале 60-х гг.; в то же время новые методы, основанные на способности таких систем к узнаванию, скоро будут внедрены как в медицине, так и в промышленности, особенно по мере усовершенствования технологии. Объяснение тому простое: во многих случаях на практике химические катализаторы, при всех их недостатках, с экономической точки зрения оказываются выгоднее, чем биокатализаторы. Успешно развивается и направление, связанное с разработкой датчиков, основанных на использовании комбинации иммобилизованных, стабилизированных микроорганизмов и электродов.
Интерферон – низкомолекулярный белок, синтезируемый клетками крови (лимфоцитами, лейкоцитами, фибробластами) в ответ на попадание в организм вирусов или внутриклеточных паразитов и подавляющий их жизнедеятельность. Каждый интерферон специфичен только против той инфекции, которая вызвала его выработку. Полученный в специально подготовленных клеточных культурах человека или животных интерферон используется в процессе лечения некоторых заболеваний (определенных типов гепатита, гриппа, рака и др.).
Инсулин – пептидный гормон, вырабатываемый бета-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы; имеет большое значение для регуляции содержания сахара (глюкозы) в крови. Секреция инсулина стимулируется за счет повышения содержания сахара в крови. Недостаток этого гормона в организме приводит к развитию у человека сахарного диабета; при этом в крови и моче больного содержится большое количество сахара. Для улучшения состояния человека в этом случае применяются инъекции инсулина.
Гормон роста (гормон соматотропный) – гормон, который синтезируется в передней доле гипофиза; стимулирует рост длинных (трубчатых) костей конечностей, а также увеличивает образование белка (через соматомедин). Его синтез и секреция контролируются освобождающим гормоном (рилизинг-фактором, вырабатываемым в гипоталамусе) и соматостатином. Избыточное образование гормона роста в организме человека приводит к его гигантизму до наступления полового созревания и акромегалии у взрослых. Недостаток этого гормона в организме детей приводит к их карликовости.
В ходе эволюции в биологических системах сформировался ряд весьма совершенных механизмов превращения энергии.
Рис. Поток энергии через живые организмы.
Зеленая и красная линии – поток углерода. Желтая – поток энергии (www.sciam.ru)
Что касается возможного вклада биотехнологии в решение проблем энергообеспечения, то здесь в отличие от других областей ее применения предсказать что-либо гораздо сложнее. В последние годы немало говорилось об «энергетическом кризисе»: запасы ископаемого топлива ограничены, а население растет, и потребление энергии все увеличивается. В этом контексте обсуждаются и перспективы использования ядерной энергии. Неравномерность распределения запасов ископаемого топлива, а также наличие ряда сложных политических и экономических факторов делают любые предсказания особенно сложными. Наиболее важным является здесь то обстоятельство, что около 99,4 %, или 1,7•1023 калорий в год, доступной нам неядерной энергии мы получаем от Солнца, и часть ее аккумулируется в биомассе, хотя и с малой эффективностью, порядка 1–2 %. По этой причине биомасса представляет собой постоянно возобновляемый источник химической энергии. Ее можно сжигать или довольно простыми способами превращать при помощи микроорганизмов в жидкое или газообразное топливо (метан, этиловый спирт или водород). Однако биомасса используется и для других целей: она служит пищей для людей и дает ряд ценных видов сырья.
В последнее время вновь пробудился интерес к разработке биотопливных элементов, с помощью которых можно с высокой эффективностью и при обычной температуре получать из ряда видов топлива и биомассы электрическую энергию.
Биотопливо – различные органические легко перегнивающие вещества (навоз, торф и т.п.), выделяющие тепло, которое используется для обогрева парников, теплиц и т.п.
Поскольку солнечный свет является мощным источником энергии, а количество имеющейся биомассы ограничено, некоторые биотехнологи, работающие над проблемами энергетики, занялись разработкой двух проблем, решение которых позволило бы повысить эффективность использования солнечной энергии. Во-первых, они пытаются найти практические способы повышения эффективности конверсии солнечного света в биомассу, например, путем выращивания водорослей при высокой концентрации углекислого газа и ограниченной освещенности в биореакторах со строго контролируемыми условиями роста. Во-вторых, они изучают возможность получения водорода путем расщепления воды при участии фотосистемы фотосинтезирующих организмов, т.е. путем биофотолиза.
Пигменты, участвующие в фотосинтезе эукариот, включают хлорофиллы и каротиноиды, которые упакованы в тилакоиды хлоропластов в виде фотосинтетических единиц, называемых фотосистемами. Свет, поглощенный молекулами пигментов, поднимает их электроны на более высокий энергетический уровень. Молекулы пигментов упакованы в фотосистемах таким образом, что способны передавать эту энергию на специальную молекулу пигмента, называемую реакционным центром. Имеются две фотосистемы: фотосистема I и фотосистема II.
В самом ближайшем будущем биотехнология станет играть все возрастающую роль и при добыче нефти. Поскольку цены на нефть растут, добыча ее из сложных в эксплуатации залежей становится все более экономически выгодной. Здесь могут оказаться полезными микроорганизмы. Во-первых, некоторые образуемые ими полимеры можно использовать в качестве компонентов закачиваемых в пласт растворов, обладающих нужными реологическими характеристиками, для добычи остаточной нефти. Во-вторых, в нефтяной промышленности используются поверхностно-активные вещества микробного происхождения. Как правило, экономические характеристики биотехнологических процессов улучшаются, если удается совместить переработку отходов с производством полезного продукта.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – химические соединения, способные адсорбироваться на границе раздела фаз, одна из которых обычно вода, и снижать поверхностное натяжение. Молекулы ПАВ состоят из углеводородного радикала (от 4 до 20 СН2-групп) и полярной группы (ОН, СООН, NH2, SO3H и др.). Так называемые ионогенные ПАВ диссоциируют в растворе на катионы и анионы, одни из которых обладают поверхностной активностью, другие (противоионы) – нет. Соответственно различают катионактивные, анионактивные и амфотерные (амфолитные) ПАВ. Молекулы неионогенных ПАВ сохраняют в растворе электрическую нейтральность. ПАВ регулируют смачивание, облегчают диспергирование, повышают или понижают устойчивость суспензий, эмульсий, пен. Используются как моющие средства, ингибиторы коррозии металлов, коагулянты и т.п.
Применение биологических систем для производства химических соединений в принципе дает ряд преимуществ, однако сегодня лишь малое их число получают с помощью биотехнологических процессов. К ним относятся сравнительно дешевые, но используемые в больших количествах как топливо этиловый спирт и метан, а также ряд ценных и довольно дорогих веществ, применяющихся в медицине и для пищевых целей (лимонная кислота, итаконовая кислота, аминокислоты, стероиды и антибиотики).
В принципе производство химических веществ на основе биокатализа имеет следующие преимущества: специфичность, легкость контроля, работа при низких температурах, совместимость с окружающей средой и простота. На сегодняшний день химическая промышленность органических соединений базируется в значительной мере на нефти, а большинство производимых ею продуктов переработки нефти получают путем частичного окисления сырья. Достичь специфического контролируемого и частичного окисления при помощи существующих катализаторов довольно сложно, а микроорганизмы осуществляют эти типы реакций мастерски, без труда.
Биокатализ (ферментативный катализ) – ускорение биохимических реакций при участии белковых макромолекул, называемых ферментами (энзимами). Первое исследование ферментативного катализа как химического процесса было выполнено К. Кирхгофом, который в 1814 г. продемонстрировал ферментативную конверсию крахмала в растворимые углеводы.
В простейшем случае уравнение реакции с участием фермента имеет вид:
где E – фермент, S – субстрат, ES – фермент-субстратный комплекс (т.н. комплекс Михаэлиса), P – продукт реакции.
Существуют три главных способа синтеза химических соединений на основе биокатализа:
1) путем использования культур клеток растений или животных, образующих дорогостоящие вещества;
2) путем использования микроорганизмов, при необходимости измененных методами генетической инженерии, для биосинтеза или модификации химических веществ;
3) путем использования измененных методами генетической инженерии микроорганизмов в качестве «устройств» для экспрессии генов растений и животных, что позволяет синтезировать в больших количествах особые, присущие только высшим организмам химические соединения.
По ряду причин биотехнологии еще только предстоит внести свой вклад в развитие химической промышленности, хотя уже сегодня мы многое знаем о потенциально полезных в этом плане биологических системах. Одна из главных проблем заключается в том, что основанные на биотехнологии отрасли химической промышленности будут использовать нетрадиционную технологию.
Сферы применения методов биотехнологии:
1) приборы для аналитической химии;
2) процессы биосинтеза и биодеградации;
3) углеродсодержащее сырье для химической промышленности;
4) химическая переработка (очистка продукта);
5) химические продукты, использующиеся в быту: клеи, детергенты, красители, волокна, вкусовые добавки, желирующие вещества и загустители, камеди и растительные клеи, душистые вещества, пигменты, пластики, смазки, воска и пр.;
6) источники энергии;
7) контроль за состоянием окружающей среды (воздух, вода и почва);
11) добыча минерального сырья на суше и в море и др.
Традиционные способы использования микроорганизмов при производстве различных сортов пива, вина и сброженных продуктов совершенствовались тысячелетиями. Наиболее успешными представляются два взаимосвязанных направления. Во-первых, на смену традиционным способам производства пищи постепенно придут биореакторы, в которых будут расти клетки животных или растений или же микроорганизмы. Развитию этого направления способствует и все возрастающая конкуренция за имеющиеся земельные ресурсы. Эта альтернативная технология будет становиться все более производительной благодаря использованию методов генетической инженерии, которые позволяют получать улучшенные линии клеток и штаммы микроорганизмов.
Генетическая инженерия – целенаправленное изменение генетических программ половых клеток с целью придания исходным формам организмов новых свойств или создания принципиально новых форм организмов; достигается с помощью конструирования несуществующих в природе сочетаний генов (биохимическими и генетическими методами). Основной метод генной инженерии – извлечение из клеток организма гена или группы генов, соединение их с определенными молекулами нуклеиновых кислот и внедрение полученных гибридных молекул в клетки другого организма. Посредством генной инженерии получают новые формы, в основном микроорганизмов, используемых в микробиологической промышленности.
Такая тенденция в развитии пищевой промышленности путем интенсификации биотехнологических процессов уже проявилась в полной мере при выработке ценных пищевых добавок. Наиболее яркий пример – производство лимонной кислоты. Сегодня ее получают главным образом микробиологическим методом, а не из цитрусовых. Намечается также рост использования микробных белков в питании человека.
(2-гидрокси-1,2,3-пропантрикарбоновая кислота)
(НООССН2)2С(ОН)СООН
Лимонная кислота – важный продукт обмена веществ в живых организмах, участвует в цикле трикарбоновых кислот и глиоксилатном цикле. Растения способны накапливать лимонную кислоту; так, например, плоды цитрусовых содержат 6–8 % лимонной кислоты, листья махорки – 8–14 %, культуральные жидкости некоторых бактерий – до 10 %. Основной промышленный способ получения лимонной кислоты – сбраживание сахара, патоки или мелассы штаммами грибков Aspergillus niger. Получают ее также извлечением из растительного сырья или взаимодействиtv кетена с ангидридом щавелево-уксусной кислоты.
Новые возможности открываются и в развитии нетрадиционных способов выработки пищевых продуктов. Так, например, в Японии говядина стоит дорого и производится в недостаточном количестве. Поэтому эта страна представляет собой потенциально очень емкий рынок для сбыта хороших заменителей говядины, изготовленных на основе других белковых продуктов.
По мере того как увеличивается население Земли и развивается промышленность, все более серьезной становится проблема охраны окружающей среды. В решении такого рода задач биотехнология будет играть все возрастающую роль, в частности, в том, что касается разработки новых или усовершенствования существующих способов переработки отходов. Такие методы и системы будут создаваться в значительной мере на основе исследований в области инженерии, но свое веское слово скажут также физиологи микроорганизмов, биохимики и генетики. Новейшие процессы переработки необычных отходов будут основаны на использовании микроорганизмов, обладающих новыми, неизвестными ранее или искусственно созданными катаболическими способностями.
Окружающая среда является, без сомнения, как бы общим знаменателем для всех видов деятельности, так как все они оказывают на нее влияние. Так, расширение использования биотехнологии в химической промышленности должно привести к созданию новых ее отраслей, лучше совместимых с окружающей средой.
Точки соприкосновения биотехнологии и сельского хозяйства весьма многообразны. Продукция сельского хозяйства может использоваться в промышленности, например, для производства этилового спирта из излишков низкокачественного вина. Такой подход получил дальнейшее развитие: для выработки спирта сельскохозяйственные культуры начали выращивать специально. Большая часть продукции современного сельского хозяйства служит сырьем для развитой пищевой промышленности. В качестве сырья могут использоваться и отходы сельского хозяйства: в частности, большое внимание уделяетс оения топливного газа из навоза с сохранением его ценности как удобрения. Для усовершенствования процессов в этой отрасли необходимо иметь более четкое представление о скорости разложения различных субстратов и роли микроорганизмов, в них участвующих.
В ветеринарии биотехнология используется для получения вакцин и сывороток. Если, как ожидается, вакцины удастся получать при помощи микроорганизмов, модифицированных методами генетической инженерии, окончательно будут искоренены такие опасные заболевания как ящур и сонная болезнь. Для увеличения выхода мяса могут использоваться гормоны роста. Современная биотехнология дает нам и корм для скота, например, белково-витаминный концентрат.
Вакцина – специальный препарат из антигенного материала, который используется для стимуляции процесса выработки собственных антител в организме и создания иммунитета против какого-либо заболевания или группы заболеваний. Большинство вакцин создается путем выращивания бактерий или вирусов в специальных условиях, при которых они теряют свою вирулентность, но сохраняют свою антигенную природу. В состав других вакцин входят обработанные специальным образом токсины (токсоиды) или мертвые бактерии, которые, несмотря на это, продолжают сохранять свою антигенную природу. Например, в вакцинах против туберкулеза, бешенства и натуральной оспы используются живые, но ослабленные вирусы, вызывающие развитие этих заболеваний. Мертвые организмы применяются в вакцинах против холеры и брюшного тифа, а ослабленные токсоиды – в вакцинах против дифтерии и столбняка.
Биотехнология поможет разработать новые способы улучшения сельскохозяйственных культур, как по урожайности, так и по качеству. Можно будет использовать полученные с ее помощью заменители дорогостоящих химических удобрений или пестицидов или же добавки к ним. Так, потребности в азоте удастся удовлетворить путем внедрения биологической фиксации азота, основанной на симбиозе, а в фосфоре – путем вмешательства в процессы, происходящие в микоризах. Задачей отдаленного будущего является передача способности к фиксации азота непосредственно отдельным сельскохозяйственным культурам путем введения в них гена нитрогеназы; в результате такие растения приобретут способность к синтезу фермента, катализирующего реакцию фиксации азота. Это позволит сэкономить энергию, затрачиваемую сегодня при химическом синтезе аммиака. Есть надежда, что вместо пестицидов мы в будущем сможем использовать методы биологического контроля – как широко известные, так и основанные на применении новых природных соединений. Так, например, в борьбе с одной из болезней растений, корончатым галлом, могут помочь бактерии. С бабочками-вредителями можно бороться с помощью Bacillus thuringiensis. Разработка таких методов не только принесет пользу сельскому хозяйству, но и сыграет важную роль в поддержании на должном уровне условий окружающей среды.
Химические (минеральные) удобрения содержат питательные для растений химические элементы в виде неорганических соединений, примесей солей. К минеральным удобрениям относят также выпускаемые промышленностью некоторые органические соединения, например, мочевину (карбамид) и продукт ее конденсации с формальдегидом (уреаформ).
Симбиоз (от греч. symbiosis – сожительство) объединяет очень распространенные и разнообразные формы взаимоотношений организмов двух разных видов (растение – растение, животное – животное, растение – животное и др.). При этом либо оба партнера, либо один из них получает определенную выгоду.
По общему мнению, наибольший вклад биотехнологии в сельское хозяйство следует ожидать за счет улучшения свойств самих растений путем использования методов рекомбинантных ДНК и протопластов растений. Применяя подобную технологию, быть может, удастся получить белки злаков, содержащие незаменимые аминокислоты, которых сейчас в них нет.
Незаменимые аминокислоты – необходимые аминокислоты, которые не могут быть синтезированы в том или ином организме, в частности, в организме человека. Поэтому их поступление в организм с пищей необходимо. Незаменимыми для человека и животных аминокислотами являются аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин.
Биотехнология может оказать влияние на получение и использование различных материалов, по меньшей мере, тремя способами. Во-первых, она будет способствовать развитию добычи промышленного сырья, например, нефти и других полезных ископаемых. Во-вторых, все более широко станут использоваться продукты микробного происхождения, например, для производства разлагаемых с помощью микроорганизмов пластмасс, эмульгаторов и загущающих веществ. Наконец, будут усовершенствованы способы защиты различных веществ от разрушения их микроорганизмами.
Наиболее многообещающим сырьем для производства биопластмасс является одно из резервных веществ клеток, полигидроксибутират (ПГБ). В настоящее время в промышленности ведутся активные исследования как самого этого вещества и его производных, так и способов их получения.
Проблема биоповреждений обычно не обсуждается в ряду проблем биотехнологии, но она, без сомнения, весьма актуальна и сложна с технической точки зрения, а роль ее в экономике весьма существенна.
Биоповреждения – неизбежное следствие важнейшей роли микроорганизмов в круговороте элементов в биосфере. Проявления биоповреждений весьма многообразны: от порчи пищевых продуктов до загрязнения смазочных масел и топливных систем, разрушения бетона и развития электрохимических процессов коррозии под влиянием микроорганизмов. Биотехнология поможет создать новые методы борьбы с биоповреждениями благодаря более глубокому пониманию лежащих в их основе процессов. На основе биотехнологических принципов могут быть созданы новые типы датчиков для контроля уровня микробного загрязнения сырья.
Инсулин – пептидный гормон, вырабатываемый бета-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы; имеет большое значение для регуляции содержания сахара (глюкозы) в крови. Секреция инсулина стимулируется за счет повышения содержания сахара в крови. Недостаток этого гормона в организме приводит к развитию у человека сахарного диабета; при этом в крови и моче больного содержится большое количество сахара. Для улучшения состояния человека в этом случае применяются инъекции инсулина.
