Лекция 6. Основные достижения и перспективы микробной биотехнологии (8 часов)
Прогресс, достигнутый в пищевой промышленности благодаря развитию прикладной инженерии и биотехнологий, впечатляет, и многие из этих достижений направлены на решение мирового кризиса продовольствия в условиях постоянно растущего населения.
Микроорганизмы играют важную роль в поддержании жизни, как отдельно, так и в составе консорциумов, производя многочисленные полезные молекулы. Поэтому целью данного обзора было изучение микробного производства in situ путем биосинтеза de novo соединений с добавленной стоимостью, таких как ароматизаторы (ванилин), омега-3 (DHA), органические кислоты и т.д., необходимых для пищевой промышленности, и их характеристика. Акцент был сделан на используемом субстрате, а также на производительности микробного процесса и различных способах его последующей обработки.
Несколько отраслей промышленности используют биохимические возможности микроорганизмов для синтеза, метаболизма и трансформации ценных веществ, и одна из самых популярных тем связана с растущим спросом на натуральные ароматы, красители, ароматизаторы и пищевые добавки. Согласно литературным данным, помимо извлечения и выделения из природных источников, которое не способно обеспечить спрос, имеет низкий выход и не является экономически эффективным, натуральные ароматы генерируются также путем ферментативной биотрансформации предшественников и синтеза de novo микроорганизмами (Paulino et al., 2021).
Более того, микробная инженерия дает впечатляющие показатели продуктивности и удовлетворяет потребности потребителей, поскольку считается "натуральной". Подход биотрансформации требует присутствия специфических ферментов, в то время как иммобилизованные ферменты являются наиболее эффективными для биопроизводства промышленных молекул. В исследовании Varga и др. использовалась стратегия иммобилизации ферментов на основе рекомбинантных поли-His-tag ферментов на металлохелатных носителях для восстановления карбонильных соединений до соответствующих спиртов. Авторам удалось преобразовать 61% ацетофенона в (S)-1-фенилэтанол с помощью рекомбинантной алкогольдегидрогеназы (RrADH) из Rhodococcus ruber и 88% транс-2-гексенала в транс-2-гексенол с помощью рекомбинантной алкогольдегидрогеназы Saccharomyces cerevisiae (ScADH1) с одновременным восстановлением NADH с помощью рекомбинантной формиатдегидрогеназы (FDH) Candida boidinii.
Промышленные побочные продукты, безусловно, являются экономичным источником природных соединений (например, полифенолов, каротиноидов, стеролов, токоферолов, витаминов или пищевых волокон), а восстановление и переработка этих отходов микробным путем может способствовать устойчивости промышленного и пищевого секторов. Биоконверсия отходов представляет собой вспомогательную стратегию в условиях нынешнего кризиса отходов и масштабного загрязнения нашей планеты. Более того, их биоконверсия может способствовать получению нескольких соединений с добавленной стоимостью, таких как органические кислоты, омега-3, короткоцепочечные жирные кислоты, ароматические вещества, функциональные экзополисахариды, нутрицевтики.
В исследовании Пателя и др. летучие жирные кислоты, образующиеся в процессе анаэробного сбраживания пищевых отходов, использовались в качестве сырья для конкретных микроводорослей с целью получения ценных липидов, таких как полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК) и насыщенные жирные кислоты (НЖК). В другой статье Fan et al. успешно очистили функциональные фруктоолигосахариды (ФОС) из сырых продуктов, используя процесс ферментации пробиотических бактерий, демонстрируя избирательное потребление источников углерода пробиотическими микроорганизмами в смеси моносахаридов и олигосахаридов субстрата.
Использование микроорганизмов для производства соединений с добавленной стоимостью привлекает все больше внимания, поскольку сложные натуральные продукты могут быть получены из недорогого сырья в промышленных масштабах, как в случае ферментированных молочных продуктов. В мини-обзоре Widyastuti et al. были критически пересмотрены оздоровительные эффекты лактобацилл (род Lactiplantibacillus) при ферментации молочных продуктов, при этом было показано, что производство биоактивных пептидов лактобациллами и их пробиотический статус являются наиболее важными характеристиками для здоровья человека.
С другой стороны, большое внимание в пищевой промышленности уделяется пищевым отравлениям, которые оказывают непосредственное влияние на здоровье человека. Среди микроорганизмов, ответственных за пищевые отравления, Staphylococcus aureus является одним из наиболее распространенных, а анализ типирования сиквенсов для идентификации изолятов и продуцируемых энтеротоксинов является новейшей темой, изучаемой в этой области. В исследовании Lv и др. были изучены молекулярные характеристики, включая генотипы, профиль резистентности и энтеротоксигенный статус Staphylococcus aureus из образцов пищи и вспышек пищевых отравлений в Шицзячжуане, Китай. Это исследование объяснило распространенность, контаминацию и передачу S. aureus при пищевых инфекциях на основе эпидемических характеристик.
С помощью биотехнологии получено множество продуктов для здравоохранения, сельского хозяйства, продовольственной и химической промышленности. Причем важно то, что многие из них не могли быть получены без применения биотехнологических способов. Особенно большие надежды связываются с попытками использования микроорганизмов и культур клеток для уменьшения загрязнения среды и производства энергии. В молекулярной биологии использование биотехнологических методов позволяет определить структуру генома, понять механизм экспрессии генов, смоделировать клеточные мембраны с целью изучения их функций и т.д. Конструирование нужных генов методами генной и клеточной инженерии позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми полезными для человека свойствами, ранее не наблюдавшимися в природе.
Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они улучшены путем индуцированного мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ.
Некоторые белки и вторичные метаболиты могут быть получены только путем культивирования клеток эукариот. Растительные клетки могут служить источником ряда соединений - атропин, никотин, алкалоиды, сапонины и др.
В биохимии, микробиологии, цитологии несомненный интерес вызывают методы иммобилизации как ферментов, так и целых клеток микроорганизмов, растений и животных.
В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей, овогенез in vitro, искусственное оплодотворение. Все это свидетельствует о том, что биотехнология станет источником не только новых продуктов питания и медицинских препаратов, но и получения энергии и новых химических веществ, а также организмов с заданными свойствами. Если говорить о перспективах развития биотехнологии, то центральной проблемой биотехнологии остается интенсификация биопроцессов как за счет повышения потенциала биологических агентов и их систем, так и за счет усовершенствования оборудования, применения биокатализаторов (иммобилизованных ферментов и клеток) в промышленности, аналитической химии, медицине. В основе промышленного использования достижений биологии лежит техника создания рекомбинантных молекул ДНК. Конструирование нужных генов позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми свойствами. В частности, возможно управление процессом фиксации атмосферного азота и перенос соответствующих генов из клеток микроорганизмов в геном растительной клетки.
В качестве источников сырья для биотехнологии все большее значение будут приобретать воспроизводимые ресурсы не пищевых растительных материалов, отходов сельского хозяйства, которые служат дополнительным источником как кормовых веществ, так и вторичного топлива (биогаза) и органических удобрений.
Одной из бурно развивающихся отраслей биотехнологии считается технология микробного синтеза ценных для человека веществ. По прогнозам, дальнейшее развитие этой отрасли повлечет за собой перераспределение ролей в формировании продовольственной базы человечества растениеводства и животноводства с одной стороны, и микробного синтеза - с другой. Не менее важным аспектом современной микробиологической технологии является изучения участия микроорганизмов в биосферных процессах и направленная регуляция их жизнедеятельности с целью решения проблемы охраны окружающей среды от техногенных, сельскохозяйственных и бытовых загрязнений. С этой проблемой тесно связаны исследования по выявлению роли микроорганизмов в плодородии почв (гумусообразовании и пополнении запасов биологического азота), борьбе с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур, утилизации пестицидов и других химических соединений в почве.
Имеющиеся в этой области знания свидетельствуют о том, что изменение стратегии хозяйственной деятельности человека от химизации к биологизации земледелия оправдывается как с экономической, так и с экологической точек зрения. В данном направлении перед биотехнологией может быть поставлена цель регенерации ландшафтов. Ведутся работы по созданию биополимеров, которые будут способны заменить современные пластмассы. Эти биополимеры имеют существенное преимущество перед традиционными материалами, так как нетоксичны и подвержены биодеградации, то есть легко разлагаются после их использования, не загрязняя окружающую среду.
Биотехнологии, основанные на достижениях микробиологии, наиболее экономически эффективны при комплексном их применении и создании безотходных производств, не нарушающих экологического равновесия. Их развитие позволит заменить многие огромные заводы химической промышленности экологически чистыми компактными производствами. Важным и перспективным направлением биотехнологии является разработка способов получения экологически чистой энергии.
Начиная с каменного века люди отбирали растения с удовлетворяющими их характеристиками и сохраняли их семена на следующий год. Отбирая лучшие семена, первые агрономы осуществили первичное генетическое модифицирование растений и таким образом одомашнили их задолго до того, как были открыты основные генетические закономерности. Сотни лет фермеры и селекционеры растений пользовались перекрестным скрещиванием, гибридизацией и другими подходами к модификации генома, приводящими к увеличению урожайности, улучшению качества продукции и повышению устойчивости растений к насекомым-вредителям, болезнетворным микроорганизмам и неблагоприятным условиям среды. По мере углубления знаний о генетике растений человек начал осуществлять целенаправленное перекрестное скрещивание (кроссбридинг) обладающих желаемыми характеристиками или не имеющих нежелательных признаков сортов растений и межвидовую гибридизацию с целью получения новых сортов, сохранивших лучшие качества обеих родительских линий. В настоящее время практически любая сельскохозяйственная культура является результатом кроссбридинга, гибридизации или применения обоих подходов. К сожалению, эти методы нередко дороги, требуют больших затрат времени, неэффективны и имеют существенные практические ограничения. Например, для создания с помощью традиционного кроссбридинга сорта кукурузы, устойчивого к определенным насекомым, потребовался бы не один десяток лет, причем без гарантированного результата.
Широкое использование микроорганизмов не может не порождать новых взаимоотношений с живой природой, что вполне естественно ведет к желанию осмыслить сами эти взаимоотношения и соотнести их со сложившимися представлениями, с одной стороны, о роли живой природы в жизнедеятельности человека, а с другой - о роли человека в биотическом круговороте биосферы.
Имеющийся пока не слишком богатый опыт развития биотехнологии все-таки содержит в себе много непривычного и вместе с тем многообещающего для возможной оптимизации человеческой жизнедеятельности. А остро вставшая перед Homo sapiens проблема самосохранения вынуждает его к лихорадочным поискам возможных вариантов стратегии своей жизнедеятельности. Этому привлечению природы, причем именно мира микроорганизмов, и положила начало новая биотехнология. Можно, видимо, сказать, что биотехнология в совокупности с другими научными направлениями открывает новую эру взаимодействия человека с окружающей средой и, особенно, с живым веществом биосферы.
Явившись прямым результатом научных разработок, биотехнология оказывается непосредственным единением науки и производства, еще одной ступенькой к единству познания и действования, еще одним шагом, приближающим человека к преодолению внешней и к постижению внутренней целесообразности». И все-таки она является только небольшим шагом. Поскольку, как заметил Б. Шоу, наука всегда ошибается. Она никогда не разрешает какой-то проблемы, не создав еще десять новых.
Биотехнология сама оказывается всего лишь крупной индустрией, соединением технических и биологических элементов и, естественно, наследует отрицательные свойства уже существующего индустриально-промышленного комплекса. Их действительное преодоление и решение проблемы человека предполагают выход человечества на новые, более совершенные ступени социально-культурного развития, основанного на новых способах познания и действования. Поэтому весьма существенное значение приобретает проблема выбора стратегии взаимодействия человека и природы: или это самонадеянное управление природой или же сознательное и целенаправленное приспособление всей жизнедеятельной деятельности, к существующему биотическому круговороту биосферы.