Со временем раскрываются всё новые свойства аминокислот и белков. Так, японские исследователи нашли «мини-белок», молекула которого состоит из двух аминокислотных остатков и который обладает вкусом поваренной соли! Из одной из солей глутамата создано даже «аминокислотное» мыло. Оно образует нежную пену (напоминающую пену взбитого «метёлкой» («венчиком») белка куриного яйца) и благодаря своему биологическому происхождению очень хорошо переносится даже чувствительной кожей. Более того, это мыло съедобно!
Наряду с аминокислотами человеку и животным требуются также витамины. Большинство витаминов помогают клеточным ферментам в их работе, и, подобно ферментам, их можно тысячекратно использовать повторно, поэтому они требуются всего лишь в следовых количествах. Но если витамины почему-либо отсутствуют, то и ферменты, и клетки и как следствие этого сами живые существа перестают правильно функционировать. Мы поглощаем витамины с фруктами, овощами, мясом, молоком и яйцами. Однако в животноводстве требуются очень дешевые витамины. В настоящее время при помощи бактерий (пропионовые бактерии Pseudomonas) и гриба Ashbya можно, например, очень недорого получать витамины так называемой группы B. Кстати, производственные штаммы этих микробов продуцируют по сравнению со своими природными («дикими») «родичами» в 20 000 раз больше витамина B2 и в 50 000 раз больше витамина B12.
Иммобилизованные ферменты применяются также для производства аминокислот. Ферментативные процессы, подобно всем другим биотехнологическим процессам, идут при температурах не выше 100 °С, нормальном давлении и не требуют ни подщелачивания, ни подкисления.
При создании новых видов антибиотиков, устойчивости к которым у микробов ещё не существует, тоже используются иммобилизованные ферменты. Они изменяют в определённых местах строение известных, продуцируемых микробами антибиотиков, после чего ферменты болезнетворных микроорганизмов, например пенициллиназы, уже не в состоянии «распознать» эти антибиотики «как микробные яды» и потому не могут их инактивировать.
Кроме того, иммобилизованные ферменты способны направленно разлагать ядовитые вещества в сточных водах. Исключительно сильными и к тому же с трудом устраняемыми ядами, возникающими в промышленности в качестве побочных продуктов, являются синильная кислота и её соли цианиды (наиболее известен цианид калия — цианистый калий). Было обнаружено, что многие растения постоянно выделяют цианид в почву, чтобы защитить себя от вредителей, но что даже в непосредственной близости от растений для некоторых микробов этот яд неопасен. Действительно, эти микроорганизмы продуцируют «обезвреживающий» фермент цианидгидратазу, которая молниеносно преобразует ядовитый цианид в абсолютно безвредный продукт. Основываясь на этом, был разработан способ, при котором указанный фермент выделяют из низших грибов и затем помещают в биореактор, где он «обезвреживает» сточные воды, содержащие цианиды.
Сегодня в большинстве случаев ферменты используют в превращениях веществ, протекающих в одну стадию, либо если эти превращения невозможно осуществить в результате обычного химического процесса, либо если химический процесс очень сложный или дорогой.
Правда, уже предпринимаются попытки разработать технологию с последовательным «включением» нескольких ферментов, подобно тому как это происходит в любой клетке.
Однако было бы целесообразно посредством «последовательно включенных» иммобилизованных ферментов вырабатывать, например, спирт из глюкозы, так как для этого потребовалось бы использовать 12 различных сложных ферментов из дрожжевых клеток. Причём для этого их нужно было бы предварительно выделить и очистить. Пока что гораздо проще и лучше это исполняют неповреждённые живые дрожжевые клетки.
А нельзя ли, подобно ферментам, иммобилизовать и клетки? Прямо-таки удивительно, что эта мысль возникла всего несколько лет тому назад — только после того, как были успешно иммобилизованы ферменты — и оказалось, действительно: это всё функционирует!
В настоящее время уже действуют большие опытные установки для получения спирта с помощью иммобилизованных дрожжей. При этом дрожжи включены в пористые шарики. Глюкоза легко проникает через поры к дрожжам, образовавшиеся спирт и углекислый газ также легко покидает шарики. Шариками заполняют колонны биореакторов вместимостью 2000 л. Упрощённая схема такая: сверху в колонны поступает раствор сахара, а снизу из неё льётся спирт. Иммобилизованные дрожжи непрерывно «трудятся» примерно в течение четырёх месяцев и в течение всего этого времени ими продуцируется 2400 л спирта в сутки. В то же время в случае «нормального» получения спирта при помощи свободно плавающих в растворе дрожжевых клеток необходимо через каждые несколько дней регулярно заменять старые дрожжи новой партией дрожжей.
При старом способе производства приходилось через несколько дней начинать весь процесс сначала — с новым сахарным раствором, новыми дрожжами и в вычищенном реакторе. В противоположность этому биореактор с иммобилизованными дрожжевыми клетками функционирует в течение длительного времени, он в 10 раз более продуктивен, а потому и продукция намного дешевле, чем при прежнем способе.
Дрожжевые клетки, иммобилизованные внутри пористых шариков, месяцами сохраняют жизнеспособность и вырабатывают из поступающего раствора сахара спирт, который в свою очередь покидает полимерные шарики и выходит из колонны.
Новые белки как средства против болезней
В настоящее время микроорганизмы, трансформированные генно-инженерными методами, продуцируют уже человеческий инсулин для лечения больных диабетом и человеческий интерферон, первое действенное средство против вирусных инфекций.
Это всего лишь первые «дети» биотехнологии, без которой о них вообще мы не могли бы говорить. Однако список белков человека и животных, настоятельно требующихся для лечения или предупреждения болезней, далеко не ограничивается этим; в частности, здесь как цель биотехнологии следует назвать биологически активные факторы (гормоны), стимулирующие развитие; ферменты, препятствующие образованию сгустков в крови и потому применяемые как средство против сердечных инфарктов, вакцины против гриппа, инфекционного гепатита (желтухи) и других вирусных болезней, а также против болезней, вызываемых паразитами, например малярии; и, наконец, новые белки, подавляющие злокачественный рост клеток (раковых клеток).
Против тромбов, образующихся при инфарктах, активно действует вырабатываемый в биореакторах клетками млекопитающих белокрасщепляющий фермент — тканевой активатор плазминогена t‑PA (от англ. tissue Plasminogen activator).
t‑PA отщепляет фрагмент от другого циркулирующего в крови фермента (плазминогена) и тем самым предоставляет ему возможность активно растворять сеть из белковых нитей (фибрин), которая крепко удерживает кровяной сгусток (тромб). Благодаря этому сердце быстро начинает вновь снабжаться кислородом и питательными веществами. Есть предположения, что уже в девяностые годы t‑PA поможет спасти жизнь миллионам людей.
Пластмассы, текстильные изделия, электроника… И всё это в результате деятельности микробов?
Всё больше новых продуктов, ранее вовсе не известных, появляется на свет благодаря развитию биопромышленности. Например, определённые микробы поразительным образом могут продуцировать из сахара полимерные вещества, то есть без использования нефти и сложных энергоёмких установок. Так, бактерия Alkaligenes eutrophus образует полигидроксибутират. Её клетки накапливают этот полимер в количестве, достигающем 80 % собственной массы. В таком случае бактерия состоит почти вся из пластмассы! Продуцируемый полимер служит клеткам в качестве запасного материала (подобно крахмалу в растительных клетках) и потому обладает ценным преимуществом перед всеми химически получаемыми полимерными материалами: он разлагается также биологически! Например, нити из «биопласта» могут использоваться для наложения швов на послеоперационные раны.