Микробы по заказу

Роль генетики в борьбе за пищевые ресурсы не ограничивается только интенсификацией методов селекции. В прямой связи с прогрессом генетики стоят такие вопросы, как искусственный синтез белка и фотосинтез. В проблеме синтеза белка мы стоим перед решающими событиями. Основанием для этого служит выясненная за последние годы общая схема процессов, объединяемых под названием "генетически определяемый контроль синтеза белка".

Развитие генетической инженерии, молекулярной генетики имело очень большое значение для микробиологической промышленности. Селекционные линии микробов служат сегодня источником более 500 различных ферментов, белков, аминокислот, витаминов и многого другого.

Возьмем такой пример. Белок - один из главных компонентов пищи человека. Однако, несмотря на все успехи сельского хозяйства, производство его не только явно недостаточно, но и ограничено. И поэтому в микробиологической промышленности одно из важных мест занимает получение белков на дешевых и доступных средах, таких, скажем, как углеводороды нефти.

Хорошо известно, что гены, кодирующие процессы расщепления углеводородов, локализованы не в хромосомах, а на плазмидах различных штаммов бактерии Псевдомонас. Широко применяются также дрожжи, но они не способны к потреблению некоторых углеводородов. Сырая же нефть состоит из самых разнообразных видов углеводородов, большая фракция которых остается неизменной при брожении. Поскольку многие полиядерные ароматические углеводороды могут оказаться канцерогенами, их необходимо удалять либо из нефти, либо сепарацией из дрожжевой массы. Но это намного удорожает белковый продукт.

Для полной утилизации нефти предлагалось использовать смесь штаммов, несущих различные плазмиды. Однако такой метод не дал нужного эффекта. Проблему удалось решить лишь после создания специального штамма. Для этого в один штамм были перенесены самые различные плазмиды. А для более эффективного роста бактерий в него ввели еще и азот- фиксирующий штамм. Так появился совершенно новый штамм, успешно утилизирующий все компоненты нефти.

В последние годы в нашей стране уже созданы биохимические заводы, на которых микробов кормят очищенными парафинами нефти и в результате собирают полноценный кормовой белок. И я уверен, что недалеко то время, когда подобные предприятия появятся, например, прямо на нефтеперерабатывающих заводах. Почему бы не поручить микроорганизмам очистку дизельного топлива от парафинов? Это позволило бы одновременно получать высококачественное горючее и белково-витаминный концентрат.

Если бы микробам было доверено извлечение парафинов на Мангышлакских нефтепромыслах из тяжелой густой и вязкой нефти, то это не только улучшило бы ее физические характеристики, но и принесло бы в качестве побочного продукта несколько миллионов тонн белкового концентрата в год.

Примеров решения генетических проблем, связанных с микробиологической промышленностью, можно привести немало. Вот хотя бы один - увеличение возможностей использования целлюлозы при производстве метана. Метанообразующие организмы очень трудно культивировать, и преодолеть трудности можно лишь введением определенных генов из них в другие микроорганизмы, способствуя тем самым быстрой и прямой переработке целлюлозных отходов в метан.

Успехи науки последних лет открыли новые горизонты всестороннего полезного вторжения микроорганизмов в хозяйственную деятельность человека.

Метод мутаций с помощью радиации и химических соединений стал основным в изготовлении высокоэффективных компонентов целого ряда ценнейших лекарств, пищевых и других веществ. Когда открыли пенициллин, его стоимость в буквальном смысле была выше золота. Теперь, после получения ценных мутантов, резко повысивших выход пенициллина на единицу питательной среды, в которой живут грибки, это лекарство стало доступно каждому.

Некоторые разновидности микроорганизмов хорошо справляются с извлечением примесей из сточных вод. Другие показали себя надежными защитниками растений от болезней и вредителей. Третьи - умелыми "горняками" и "металлургами": они извлекают из бедных руд медь и молибден, германий и кремний, ядовитый мышьяк и неподвластное химическим воздействиям золото.

Разнообразна и ценна продукция микробиологической промышленности, предназначенная для животноводства. Это, к примеру, добавки в рацион: белковые и витаминные препараты, антибиотики... В ближайшей перспективе это - заменители цельного молока на безмолочной основе, гидролизный сахар, восполняющий дефицит легкорастворимых углеводов в кормах для молочного стада, простагландины, тилозин и другие препараты зооветеринарной профилактики.

Еще пример. Аминокислота лизин - важнейший компонент пищи животных и человека. Сейчас создается крупная микробиологическая промышленность по производству лизина, что оказалось возможным только после работы генетиков, "сконструировавших" форму клеток бактерий, выделяющих в среду в пятьсот раз больше лизина по сравнению с обычными "дикими" бактериями.

Аминокислоты, выработанные бактериями, созданными с помощью генетической инженерии, обладают ценными пищевыми качествами. Хлеб, в состав которого введена ничтожная примесь лизина, становится калорийнее. Другая аминокислота - глютаминовая, когда ее добавляют в бульон, картошку, кашу, не только увеличивает питательность продуктов, но и придает им вкус куриного мяса.

Некоторые микробиологи даже считают, что мы станем свидетелями того, как аминокислоты войдут в нашей стране в широкий обиход и будут подаваться к столу, как соль или горчица.

Я говорил о производстве белков. Сейчас для достижения этой цели в ход идет биомасса всем нам знакомых дрожжей. Но давайте немного пофантазируем. Представьте себе производство, где в промышленных масштабах будет налажена "сборка" генов, управляющих синтезом белков. И тогда столь ценный продукт можно будет получать в любых разновидностях и в неограниченном количестве.

Кстати, оказалось, что микробный белок по своей химической сути - отличный полимер. Поэтому не так давно возникла идея попытаться использовать его для изготовления специальных волокон и пленок, близких по качеству и свойствам к натуральным - шелку и шерсти. Небольшие добавки этого же продукта обещают существенно улучшить качество некоторых видов искусственного каучука, а также повысить прочность и долговечность бетона.

Из всего перечисленного видно, что проблема гена приобретает сегодня уже не только теоретический, но и прикладной характер. Биологи должны научиться своими руками конструировать то, что принято называть единицей наследственности. "Заготовками" и "деталями" станут определенные молекулярные группы, а "сборочным цехом" - клетка и ее ядро. Именно такие задачи и предстоит решать генетической инженерии.

Возможности созданных генетическими методами микроорганизмов синтезировать самые разнообразные вещества вполне справедливо представляются многим ученым безграничными. Приведем хотя бы такой пример: в ряде лабораторий микробиологический синтез уверенно направляют по так называемой жировой схеме, в результате чего получают большое количество разнообразных биожиров. Несомненно, мы научимся вырабатывать микробные жиры, близкие по составу к подсолнечному, кукурузному, касторовому, оливковому, даже к пальмовому и другим экзотическим маслам. Это, конечно же, позволит высвобождать для использования по прямому назначению пищевые растительные масла, пока еще применяемые и для технических целей...

Ну а если взять иные микроскопические объекты, интересующие современную генетику и являющиеся полем ее деятельности, то нельзя не вспомнить о дрожжах и одноклеточных водорослях. Они тоже имеют немалое народнохозяйственное значение и также не всегда отвечают предъявляемым к ним требованиям.

В Институте общей генетики АН СССР К. В. Ко- сиков разработал метод создания гетерозисных гибридов. Его применили, например, для селекции промышленных рас дрожжей. В гибридизацию был вовлечен большой исходный материал. Используя разные способы скрещивания, получили продуктивные триплоидные и тетраплоидные гибриды. Многие из них успешно пошли в производство на заводах пищевой промышленности для изготовления спиртовых и хлебопекарных дрожжей. Экономический эффект при этом составляет около полутора миллионов рублей.

Выведены также гибриды дрожжей с повышенным содержанием эргостерина, являющегося провитамином Д₂.

В нашей стране уже работают предприятия, на которых выращиваются кормовые дрожжи на гидролизах древесины и сельскохозяйственных отходов, из очищенных жидких парафинов, что позволило вовлечь в хозяйственный оборот новые источники белка, практически не зависящие от капризов погоды. Это имеет большое государственное значение. На ноябрьском (1979 г.) Пленуме ЦК КПСС товарищ Л. И. Брежнев, характеризуя задачи, связанные со снабжением населения продовольствием, особенно мясом, обратил внимание на необходимость быстрее решить проблему создания белка для балансирования кормов.

Мы уже не раз говорили о том, что в основных зерновых культурах не хватает незаменимых аминокислот - лизина, метионина, триптофана и других. Организм животных при недостатке хотя бы одной из них не может полноценно усваивать белковые вещества. В результате на единицу продукции фермы расходуют в полтора-два раза больше зерна, чем требуется по норме. Страна недополучает много мяса, яиц, молока.

Чтобы превратить зерно в полноценный корм, к нему добавляют такие белковые компоненты, как рыбная и мясокостная мука, обезжиренное молоко, соевые шроты. Однако отечественные ресурсы подобного рода добавок недостаточны, и всевозрастающее значение приобретает микробиологический синтез белка: дрожжи и другие виды сухой микробной биомассы полностью заменяют традиционные белковые добавки. Каждые пять тонн опилок, превращенные на заводах в белковые дрожжи, дают возможность получить 20 тонн комбикорма, обогащенного белком.

Чтобы выращивать кормовые дрожжи на растительном сырье, его предварительно подвергают довольно сложной обработке. Сейчас ученые создали способ прямого превращения лиственной древесины и соломы в белково-углеводные корма. Для этого на растительное сырье, не подвергая его гидролизу, просто поселяют особую разновидность микроскопических одноклеточных грибов, которые, разрушая целлюлозу, превращают ее в сахар и при этом сами растут, быстро образуя белковую массу.

Многолетний опыт показывает, что добавка одной тонны дрожжей в рацион птиц позволяет получить дополнительно 1,5 - 2 тонны мяса или 25 - 35 тысяч яиц. Эта же тонна в свиноводстве высвобождает 3,5 - 5 тонн фуражного зерна.

Промышленность нашей страны в общей сложности выпускает сегодня в год свыше миллиона тонн сухих кормовых дрожжей, содержащих более 50 процентов белка, что позволит сбалансировать 20 миллионов тонн комбикормов. Однако потребность в микробиологическом белке, конечно же, намного выше. И я уверен, что удастся довести производство микробного белка до 10 и более миллионов тонн в год. И тогда вопрос белкового обогащения фуражного зерна будет решен полностью...

В нашем институте при действии ультрафиолетового света на зеленую одноклеточную водоросль - хлореллу были получены высокопродуктивные мутанты, на базе которых выделили штаммы для промышленного фотосинтеза, очистки сточных вод и производства кормов. Эти штаммы отличаются высоким содержанием лизина и триптофана, что позволяет эффективно применять их в качестве обогатительной добавки к растительному белку кормов для сельскохозяйственных животных, как мы уже говорили, дефицитному по данным аминокислотам.

Добавка трех - пяти килограммов хлореллы к одной тонне пшеницы, ячменя повышает биологическую ценность суммарного белка рациона на 60 процентов. А продуктивность животных при скармливании такого обогащенного корма увеличивается на 20 - 25 процентов, при значительном улучшении качества мяса.

Такие прибавки помогают не только в животноводстве. Использование нового мутанта при выкормке гусениц тутового шелкопряда повышает выход шелка и значительно улучшает получаемую нить. Экономический эффект от применения в шелководстве одной тонны сушеной хлореллы составляет 85,5 тысячи рублей.

Очистка сточных вод - тоже проблема сегодня очень важная. Трудно назвать химическое, металлургическое предприятие, перед которым не стояла бы эта задача. Сейчас ведутся работы по выделению перспективных форм водорослей, используемых для очистки сточных вод микробиологических производств.

Из приведенных примеров видно, что генетика и генетическая инженерия уже сегодня добились немалого. Но впереди еще непочатый край работы. Необходимо шире развернуть поиски высокопродуктивных микроорганизмов для биосинтеза белков, лизина, витаминов, кормового сахара, средств защиты растений, а также микроорганизмов, которые способны быстро разлагать в воде и почве остатки гербицидов, ядохимикатов, вредных отходов химических и иных производств.

Самое интересное, что генетика начинает сегодня вторгаться в области, которые еще совсем недавно казались очень далекими от нее. Так, например, в ее достижениях заинтересована даже... тяжелая индустрия. Среди потребителей продуктов комплексной переработки древесины, особенно фурфурола и его производных, компонентов микробной биомассы - качественная металлургия, химия и машиностроение, нефтеперерабатывающая и авиационная промышленность.

Зачастую то, что ранее считалось отходами, ныне становится ценнейшим сырьем. В гидролизном производстве, например, на каждую тонну дрожжей приходится более полутора тонн лигнина, который вывозили в отвал. Ныне часть лигнина уже перерабатывается на нитролигнин, карбонизированные и активированные угли, топливные брикеты для населения. Металлурги обратили внимание на лигнин как на ценнейшее восстановительное сырье. Они считают, что в ближайшей перспективе станет возможным использовать его для выплавки высокочистых черных и цветных металлов, в развитии технологии бездоменного восстановления железных руд - ведь лигнин не содержит серы и других вредных примесей.

Нельзя не учитывать и того, что развитие генетической инженерии и на основе ее достижений микробиологической промышленности делает вполне реальным производство из непищевого сырья пищевых добавок, продуктов высокой питательной ценности, парфюмерных товаров, эффективных ветеринарных, лечебных и профилактических препаратов.

Список этих примеров, который можно легко продолжить, доказывает, что генетика перестала быть чисто исследовательской наукой.

Все названные разработки, ставшие достоянием практики, - результат развития фундаментальных исследований, которые проводятся на основе единства теоретических и практических работ по генетике животных, растений, микроорганизмов и человека.

Сегодня без помощи генетики мы не смогли бы повышать урожайность зерновых, бобовых и овощных сельскохозяйственных культур, продуктивность домашних животных, птиц и даже ценнейших пород рыб. Только генетика дает возможность человечеству полностью обеспечить себя белками, аминокислотами, витаминами и другими необходимыми пищевыми компонентами.

Воплощая в жизнь решения XXVI съезда КПСС, советские генетики стремятся максимально укреплять связи фундаментальных исследований с практикой. Целевые программы Института общей генетики АН СССР направляются сейчас на то, чтобы обеспечить в XI пятилетке решение важнейших научно-практических проблем. Среди них программы "Управление мутационным процессом", "Подсолнечник", по которым предстоит внедрить в практику новые сорта и гетерозисные гибриды этой важнейшей масличной культуры. Осуществляя программу "Вакцинация", ученые надеются получить разновидности вируса табачной мозаики для вакцинации не только томатов, но и других овощных культур.

Интересна программа "Микрохирургия зигот у сельскохозяйственных животных". Цель ее в том, чтобы научиться переносить измененные оплодотворенные яйцеклетки, например, породистых животных в организм беспородных коров, заставляя их тем самым производить на свет новое, чистопородное потомство. Предполагается к концу XI пятилетки иметь таких животных.

Программа "Мутации и генетический груз" преследует цель разработать основы медицинской генетической службы и помощи населению. Программа "Гены млекопитающих и человека в клетках бактерий" направлена на создание штаммов бактерий, способных синтезировать вещества, нужные медицине и сельскому хозяйству.