Лекция 2. БИОЛОГИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ВОДНЫХ БИОРЕСУРСОВ

Особенность гидробионтов — генетическое многообразие, уникальный химический состав, высокая жизнестойкость. Морские организмы насчитывают более 35 тыс. видов рыб и около 9 млн видов нерыбных объектов (без учета морских микроорганизмов). Площадь обитания этого сообщества составляет 80 % поверхности Земли. Высокая жизнестойкость и многообразие гидробионтов обусловлены биологически активными веществами (БАВ) и их природными комплексами — биологически активными добавками (БАД), обладающими важными биологическими функциями. К БАВ относятся такие компоненты гидробионтов, как незаменимые аминокислоты и жирные кислоты, особенно полиеновые, фосфолипиды, ферменты, ингибиторы, гормоны, гликозиды, биополисахариды, витамины, минеральные и другие вещества. Заслуживает серьезного внимания создание продуктов питания на основе гидробионтов, получение БАВ и БАД из тканей рыб, моллюсков, ракообразных, иглокожих, водорослей, а также отдельных компонентов (аминокислот, пептидов, жиров), биологических субстанций, лекарственных и косметических форм. Комбинирование функциональных БАВ гидробионтов с ингредиентами, применяемыми в хлебопекарной, молочной, масложировой, рыбной, мясной и других отраслях перерабатывающей и пищевой промышленности позволит создать продукты питания нового поколения. Велико значение таких ферментов морского сырья, как высокоактивные специфические протеазы, холинэстеразы, коллагеназы, нуклеазы, регуляторы углеводного обмена. Они ускоряют технологические процессы, в частности созревание, а также применяются как незаменимые добавки в пищевой промышленности, сельском хозяйстве, медицине, диагностике.

В настоящее время недостаточно используются ферменты нерыбных объектов промысла, а также морских микроорганизмов с уникальными свойствами: высокой активностью, широким спектром специфичности, термо- и криоустойчивостью, вариабильностью к оптимальному рН и др. Целесообразно использование морского сырья для производства аминокислот, полипептидов, белков, липидов и их отдельных фракций (фосфолипидов, сапонинов, каротиноидов, витамина А, высокоминерализованных концентратов, специфических биополимеров. Применение перечисленных препаратов эффективно в лечении социально значимых заболеваний (туберкулеза, гриппа и ряда инфекционных заболеваний). Например, пептидные препараты класса цитомединов, изготавливаемые из различных органов и тканей гидробионтов, обладают иммуностимулирующими, ростостимулирующими, антиоксидантными и другими свойствами. Реализация знаний в области нанотехнологий использования отходов разделки морского сырья (гонад, икры, молок), богатых натуральными ценными БАВ (гормонами, цитокинами, пептидами, фосфолипидами, ДНК, РНК), позволит создать полезные продукты и жизненно важные лекарственные препараты, которые безопаснее, чем полученные химическим синтезом. Об этом свидетельствуют результаты скрининга физико-химических и биологических свойств в различных таксономических группах гидробионтов.

Водные биологические ресурсы являются источниками таких уникальных биополимеров, как хитин, хитозан, коллаген, хондроитинсульфат, альгинат, сульфатированные полисахариды — агар-агар, каррагинан, фукоидан. Результаты исследования морских биополимеров свидетельствуют о целесообразности производства на их основе пищевых гелей, а также продуктов медицинского, косметического и лечебно-профилактического назначения. Одна из основных задач биотехнологии гидробионтов — разработка продуктов сложного состава, удовлетворяющих по содержанию требованиям формулы оптимального питания, т.е. получение сбалансированных функциональных изделий, рекомендуемых человеку в зависимости от его возраста, состояния здоровья и занятости.

Учеными и специалистами созданы технологии поликомпонентных пресервов, консервов, кулинарных изделий, продуктов фаршевой основы, эмульсий типа соусов и кремов, структурированных изделий, в том числе аналогов многих деликатесов. В пищевые системы на основе гидробионтов рационально включать растительные компоненты, дополняющие их состав незаменимыми парафармацевтиками.

Перспективно применение биотехнологии гидробионтов и в биоэнергетике. Морское биологическое сырье богато биоэнергетическими веществами (полисахаридами, липидами, липопротеидами), базовыми в технологии производства биоэтанола, биодизеля и других биоэнергетиков. Экологически безопасным биоэнергетикам, получаемым из восполняемого сырья, принадлежит будущее.

Гидробионты как биотехнологическое сырье оценивают по совокупности таких характеристик, как ресурсная достаточность, пищевая ценность и функциональность в готовом продукте. Каждая характеристика имеет составляющие второго и третьего уровня. Чем шире спектр составляющих третьего уровня, тем более высока ценность сырья для использования в биотехнологии. Среди объектов промысла основное место занимают рыбы, их видовой состав насчитывает более 1000 наименований, а масса в отечественных уловах составляет 85-92 %. Освоен промысел около 30 видов водорослей, объем добычи которых составляет 1 % общего улова. В зависимости от окраски различают зеленые, красные и бурые водоросли со своеобразным морфологическим строением, циклом развития, способные синтезировать, аккумулировать и концентрировать в своих тканях различные химические соединения. Доля беспозвоночных в добыче гидробионт составляет примерно 9 %, а видовой состав насчитывает до 8 наименований. Промысловое значение имеют следующие бепозвоночные: мидии, устрицы, гребешки, кальмары, каракатиц осьминоги, крабы, креветки, лангусты, омары, раки, кукумария, криль и др. В России добывают и перерабатывают преимущественно водоросли бурые (ламинарии и аскофиллум) и красные (анфельция, филлофора, фурцеллярия). Зеленые водоросли (ульва, энтероморфа, спирулина) занимают в промысле менее значимое место. В связи со снижением численности морских млекопитающих (ластоногих и китообразных), добыча которых либо запрещена, либо строго контролируется, они в настоящее время в качестве сырья не рассматриваются.

В нашей стране географически промысел гидробионтов подразделяют на бассейны − Дальневосточный, Северный, Западный и Южный, а также внутренние водоемы. Основная сырьевая база России − Тихий океан, где добывается до 40 % гидробионтов. В начале XXI века в Дальневосточном бассейне подавляющую часть улова составляли (в %): минтай − 38,5, сельдь − около 15, лососи − 9, камбалы − 4,5. В юго-восточной части Тихого океана имеются значительные запасы ставриды. Для России важен промысел в Атлантическом океане. Суммарные запасы ВБР в северо-восточной и северо-западной Атлантике оцениваются в 15 млн т (в каждом), в центрально-восточной −19, в юго-восточной − 39 млн. т. В южной полярной зоне возможен вылов анчоуса (300−500 тыс. т). В северо-восточной Атлантике возрастает вылов трески, мойвы, путассу, сельди, скумбрии, креветки, краба, водорослей. Перспективно расширение отечественного промысла массовых пелагических рыб в Атлантическом океане − ставриды, сардинеллы, скумбрии. Основные направления переработки гидробионтов − пищевое, кормовое, техническое, фармацевтическое, медицинское.

Для пищевых целей основными технологиями переработки рыбы и ВБР являются: холодильная обработка (замораживание, охлаждение), производство стерилизованных консервов, соленой рыбы и (пресервов, копченой и вяленой продукции, кулинарных изделий (структурированная и аналоговая продукция, запеченная, маринованная и жареная рыба, салаты и т.д.). Из гидробионтов также производится кормовая продукция (рыбная мука, гидролизаты, кормовые фарши, ветеринарный рыбный жир и др.), техническая (рыбный клей, биотопливо, оболочки, жемчужный пат и др.), фармацевтическая и медицинская продукция (медицинский рыбный жир, альгиновые кислоты и их соли − альгинаты, концентрат витамина А и др.), продукты пищевой биотехнологии (БАДы к пище, препараты полиненасыщенных жирных кислот, белковые концетраты и др.) (рисунок 1.2).

Развитие биотехнологии позволило использовать в полезной практической деятельности человека уникальный состав морского сырья, комплексно перерабатывать ВБР методами глубокого функционирования, получать новые биопродукты – ферментные препараты (из внутренностей, печени и мышечной ткани рыб, ракообразных, моллюсков), ихтиоколлаген (из чешуи, кожи, костей), полиаминосахариды (хитин и хитозан из панцирей ракообразных) аминогликаны (гиалуроновая кислота, хондроитинсульфат и др. и хрящевых тканей рыб и голотурий), сульфатированные полисахариды (каррагинаны, агар из красных водорослей) и многие другие.

Рисунок 1.2 Характеристика тканей и органов рыб по содержанию БАВ: 1 белки; 2 аминокислоты; 3 липиды; 4 жирные кислоты; 5 полиненасыщенные жирные кислоты; 6 витамины; 7 ферменты; 8 гормоны; 9 минеральные вещества; 10 хондроитинсульфат; 11 гликопротеиды; 12 желчные кислоты; 13 холестерин; 14 ДНК; 15 фосфолипиды; 16 гликоген; 17 каротиноиды; 18 меланиновые пигменты; 19 гуанин; 20 гексозамины.

В настоящее время биотехнологические продукты из рыбы и морепродуктов широко востребованы в лечебном и диетическом питании. Особое доверие заслужили липидные концентраты полиненасыщенных жирных кислот типа «Полиен» и «Эйконол» натуральные пищевые добавки на основе водорослей (например, «Альгилоза кальция», «Кальциальгин»), продукты из моллюсков типа «Мидиам», «Тингол» и «Пилорин», натуральные модуляторыцитокины, препараты из аминокислот и полипептидов гидробионтов или их отдельных тканей. Сила природных веществ водных биологических ресурсов и их положительное влияние на здоровье при систематическом употреблении в пищу проверены многовековой практикой. При выработке пищевой продукции из рыбы и ВБР в настоящее время приоритетно изготовление функциональных изделий, получаемых на принципах пищевой комбинаторики путем комбинирования различных сырьевых источников либо обогащением функциональными ингредиентами (пищевыми волокнами, растительными компонентами, продуктами пчеловодства, витаминными комплексами, пробиотическими культурами и др.).

Компоненты ВБР из-за их высокой биологической эффективности широко используются в специализированном питании (спортивном, геродиетическом, детском и др.), в составе разнообразных БАД к пище (остеотропной, хондропротекторной, антигипертензивной, сердечно-сосудистой и другой направленности). В морской биотехнологии макроорганизмов сегодня прослеживается тенденция смещения научных интересов от химических компонентов в экстрактах организмов к минорным, но высокоактивным соединениям, например, симбионтным комплексам, широко представленным в морских биоценозах. Из них получают физиологически активные вещества, которые находят применение в медицине, аквакультуре, пищевой промышленности, сельском хозяйстве и других сферах.

Перспективное направление голубой биотехнологии – биотехнологии морских микроорганизмов, обусловлено уникальностью морской микрофлоры. Морские микроорганизмы являются источниками многих физиологически активных соединений новой природы. Древнейшие биоценозы океана имеют отличную от суши биоту. Четкое определение таксономического положения и трофических связей морских микроорганизмов показывает, что морской среде обитания присущи особые виды и роды микроорганизмов, а разделение морских форм и сухопутных пресноводных, почвенных и т.д. осуществляется как на уровне высоких таксонов, гак и на штаммовом уровне. Это свидетельствует об особом пути эволюции морских микроорганизмов и противоречит широко распространенному мнению, что большинство микроорганизмов привнесены в море с суши посредством эолового переноса и со стоком рек. В последние годы все чаще приходят сообщения о случаях симбиоза бактерий с морскими макрогидробионтами. Внешние и внутренние поверхности животных и растений несут большое количество бактерий, иногда они находятся в качестве симбионтов в их тканях и органах. Вследствие такой тесной связи возможны синтрофия, метабиоз и обмен сигнальными веществами в морских сообществах. Различного рода биоактивные вещества обнаружены в растениях и животных, в особенности беспозвоночных губках, кораллах, асцидиях и т.д. Предположительно многие из них являются продуктами биосинтеза микроорганизмов, ассоциированных с этими животными.

Количественный и качественный состав микроорганизмов, встречающихся в морских животных, существенно отличается от состава воды и грунта в местах их обитания. Это свидетельствует о специфичности взаимодействия микро- и макробионтов. Большая коллекция морских микроорганизмов собрана в Тихоокеанском институте биоорганической химии ТИБОХ (единственная в РФ), которая имеет официальный акроним КММ. В ней представлены образцы из тропических и бореальных областей Мирового океана: гетеротрофные аэробные и факультативно-анаэробные микроорганизмы, выделенные из животных, воды и донных осадков. Она входит в состав Всемирной федерации коллекций культур микроорганизмов (WFCC) и располагает примерно 10 тыс. штаммов микроорганизмов, в основном бактерий. Коллекция служит основой для всестороннего исследования микробов продуцентов физиологически активных веществ: внеклеточных РНК-аз, ДНК-аз и их ингибиторов, новых рестриктаз, -галактозидазы, эластазы, щелочной фосфатазы, ингибиторов вирусной ревертазы, - и β-глюкозидаз, антиопухолевых веществ, антивирусных соединений, антибиотиков, кардиотоников и иммуномодуляторов.

У морских бактерий открыта способность биосинтезировать супербромированные соединения. Структурные особенности антибиотиков из морских актиномицетов обусловили необычность их физиологического действия. Например, бромсодержащий макролидный антибиотик аплазмомицин (аналог боромицина) активен против малярийного плазмодия. Большой интерес представляют бактерии и вторичные метаболиты морских микроорганизмов, выделенных из губок, асцидий, мягких кораллов, голотурий, морских звезд, рыб и моллюсков. В губках рода содержится большое количество физиологически активных соединений, в частности бромсодержащий метаболит, проявляющий цитотоксическую и антимикробную активность. Из мидии выделено два новых лектина, которые способны агглютинировать микроорганизмы, ассоциированные с этим моллюском, но не патогенные для человека и животных. Лектины играют вспомогательную роль в регуляции количественного й таксономического состава популяций микроорганизмов. Один из них взаимодействует исключительно с грамположительными бактериями, другой преимущественно с грамотрицательными. Актиномицеты, выделенные из морского грунта литоральной полосы Республики Сейшельские Острова, синтезируют антибиотик ингибитор роста грамположительных бактерий и грибов.

Тестирование 8 тыс. морских микроорганизмов на способность синтезировать активные метаболиты, проведенное в ТИБОХ, позволило сделать заключение о распространении микробных продуцентов. Наиболее распространенными метаболитами микроорганизмов всех изученных групп животных являются цитотоксические соединения. Среди них были отобраны для химических исследований рН-зависимые цитотоксины. Такие вещества обнаружены в экстрактах микроорганизмов из донных осадков, мягких кораллов и морских звезд. Велико число микроорганизмов-продуцентов антибиотических соединений в штаммах асцидий, горгонарий, морской воды и донных осадков. В коллекции ТИБОХ имеются бактериальные штаммы, синтезирующие антибиотики против грамотрицательных бактерий, правда, процент таких микроорганизмов незначителен. Большое количество (30-50 %) продуцентов иммунотропных соединений обнаружено в ассоциативных комплексах альционарий, асцидий, ракообразных, но их гораздо меньше в микрофлоре губок и морской воды.

Важным направлением морской биотехнологии становится получение противовирусных препаратов. Предпосылкой для поиска среди морских бактерий таких соединений является факт, что некоторые вирусы инактивируются в морской среде. Морские микроорганизмы обладают признаками, не встречающимися у наземных микроорганизмов, например барофильностью и галофильностью. Эти признаки, как правило, обусловлены ферментами, заслуживающими тщательного изучения. Японские исследователи выделили из психрофильного бактериального штамма, изолированного из пробы воды в Антарктике, термолабильную фосфатазу, а из галофильного штамма протеазу, проявляющую максимальную активность при 18%-ной концентрации NаСl в среде. Этот фермент используется для приготовления рыбного соуса. Особенно удачным оказался поиск ферментов среди бактерий микробных продуцентов нуклеинового обмена. Штамм, выделенный из образца воды с глубины 2000 м (северо-западная часть Тихого океана), продуцирует уникальный фермент уридинспецифическую РНК-азу. Этот белок разрезает РНК по уридиловой петле и может применяться в структурных исследованиях больших молекул РНК, например, вирусных. В настоящее время достигнуты успехи в выделении и использовании из морских микроорганизмов холодоустойчивой зоны специфических ферментов, которые начинают с успехом применяться в стиральных порошках, способных удалять загрязнения при стирке в воде любой температуры. Перспективы морской биотехнологии микроорганизмов просматриваются в двух направлениях. Это поиск микробных продуцентов биоактивных веществ с необычной структурой и действием, а также выявление истинных продуцентов метаболитов, ранее отмеченных для макрогидробионтов.