Биотехнология
роста и метаболизма, чрезвычайно стабильными ферментами, необычной для
остальных бактерий устойчивостью к этанолу (до 15% и более). Термофилы
способны к биоконверсии полисахаридных субстратов в этанол. Так,
Thermoanaerobium brockii сбраживает крахмал, Clostridium thermocellum —
целлюлозу, Cl. thermohydrosulfuricum утилизирует продукты деградации
целлюлозы с очень высоким выходом спирта. Перспективно применение
экстремально термофильного продуцента спирта Thermoanaerobacter
ethanolicus. Планируют использование также ацидофильных (оптимум рН 1,5) и
галофильных продуцентов спирта.
Повышение выхода спирта и стабилизация активности его продуцентов могут
быть достигнуты путем иммобилизации клеток. Так, эффективный синтез этанола
осуществлен с применением клеток Z. mobilis, иммобилизованных на
хлопчатобумажных волокнах (S. Prentis, 1984).
Получение метана и других углеводородов.
Получение метана — важный путь утилизации сельскохозяйственных отходов. Он
получается в виде биогаза — смеси метана и СО2. Присутствие СО2
ограничивает теплотворную способность биогаза как топлива, которая в
зависимости от соотношения СН4/СО2 составляет 20,9—33,4 кДж/м3. Содержание
метана в биогазе варьирует от 50 до 85%.
Непосредственно к образованию метана способна небольшая группа
микроорганизмов, относящихся к архебактериям. Жизнедеятельность
метанобразующих архебактерий протекает в строго анаэробных условиях.
Субстратами для образования метана могут служить муравьиная и уксусная
кислоты, метанол, газовые смеси (Н2 + СО, Н2 + СО2). Поскольку биогаз
практически получают из сложных органических веществ (целлюлозы, крахмала,
белков, липидов, нуклеиновых кислот), то для метан-образования применяют
многокомпонентные микробные ассоциации.
Наряду с метанобразующими бактериями в состав таких ассоциаций входят
микроорганизмы, переводящие органические субстраты в метанол, муравьиную и
уксусную кислоты, Н2, СО и т. д. Примером может служить метаногенная
ассоциация «Methanobacillus Kuzneceovii», образующая метан при разложении
биомассы водорослей (Чан Динь Тоай, 1984).
Процесс метанобразования отличается высокой эффективностью: до 90—95%
используемого углерода переходит в метан. Поэтому метаногенные ассоциации с
успехом используют для очистки сточных вод от органических загрязнений с
одновременным получением высококалорийного топлива. До 5—10% потребленного
углерода превращается в биомассу, которая также находит применение.
Используют как жидко-, так и твердофазные процессы получения биогаза
(биогазификации).
Наряду с биогазом метаногенные ассоциации образуют другие ценные продукты,
например витамин В12 После переработки органического субстрата в биогаз
остается материал, представляющий собой ценное минеральное (азотное и
фосфорное) удобрение.
Получение биогаза — процесс, отличающийся простотой оборудования и
доступностью сырья, требует небольших капиталовложений. В Китае, Индии,
ряде других стран эксплуатируются небольшие установки, в которые вносят
подручный материал (солому, навоз и др.), что исключает затраты на доставку
сырья. В Китае действует свыше 7 млн. малых установок вместимостью 10—15 л,
достаточных для удовлетворения энергетических потребностей семьи из пяти
человек.
Кроме метаногенных анаэробов существует другая группа организмов —
продуцентов углеводородов как заменителей топлива. Это микроводоросли —
Botryacoceus, Isochrysis, Nanochlo-ropsis и др. Углеводороды накапливаются
в значительных количествах — до 80% сухой массы клеток. В США действует
ферма для выращивания водорослей с суммарной площадью водоемов 52 тыс.
гектаров, дающая около 4800 м3 жидких углеводородов в сутки. Для улучшения
топливных характеристик полученные из водорослей углеводороды подвергают
гидрированию (Г Н Чернов, 1982).
Получение водорода как топлива будущего.
Получение водорода как топлива пока остается на уровне поисковых
разработок. Это абсолютно чистое топливо, дающее при сгорании лишь Н2О,
отличается исключительно высокой теплотворной способностью — 143 кДж/г.
Химический и электрохимический способы получения Н2 неэкономичны, поэтому
заманчиво использование микроорганизмов, способных выделять водород. Такой
способностью обладают аэробные и анаэробные хемотрофные бактерии, пурпурные
и зеленые фототрофные бактерии, цианобактерии, различные водоросли и
некоторые простейшие (Е. Н. Кондратьева, И. Н. Го-готов, 1981). Процесс
протекает с участием гидрогеназы или нитрогеназы.
Гидрогеназа — фермент, содержащий FeS-центры. Она катализирует реакцию
2Н+ + 2е- = Н2
Одна из технологических возможностей основана на включении изолированной
гидрогеназы в состав искусственных Н2-генерирую-щих систем. Сложной
проблемой является нестабильность изолированного фермента и быстрое
ингибирование его активности водородом (продуктом реакции) и кислородом.
Повышение стабильности гидрогеназы может быть достигнуто ее иммобилизацией
(Чан Динь Тоай, 1984; Y. Nosaka et. al., 1986). Иммобилизация предотвращает
ингибирование гидрогеназы кислородом.
Предложено много вариантов модельных систем, катализирующих образование
водорода из воды за счет энергии света. Эти системы различаются механизмом
улавливания энергии света и содержат хлоропласты или изолированный из них
хлорофилл, а также восстановленные никотинамидные нуклеотиды. Некоторые
системы наряду с водородом образуют кислород: в этом случае речь идет о
биофотолизе воды.
Примером может служить система хлоропласт — ферредоксин — гидрогеназа.
Ферредоксин служит промежуточным переносчиком электронов от
фотосинтетической цепи хлоропластов к добавленной гидрогеназе. Серьезной
проблемой является поддержание низкого парциального давления этих газов, с
тем чтобы не наступило ингибирование гидрогеназы. При замене ферредоксина
на флавопротеид или метилвиологен система образует только Н2. Флавопротеид
и, по некоторым данным, метилвиологен защищают гидрогеназу от ингибирования
кислородом. Разрабатываются системы с изолированным хлорофиллом, встроенным
в детергент ные мицеллы или липосомы вместе с гидрогеназой. Предложена
также система с гидрогеназой, иммобилизованной в агарозном геле, с которым
прочно связан полимерный виологен и металлопорфирин, аналог хлорофилла.
Водород получают также с применением целых клеток микроорганизмов,
стабильность которых возрастает при их иммобилизации. Высокоэффективными
продуцентами Н2 являются пурпурные фототрофные бактерии, например
Rhodopseudomonas sp., которые при иммобилизации в агарозном геле дают до
180 мкмоль Н2 за 1 ч в пересчете на 1 мг бактериохлорофилла (М. Tadashi, A.
Akira, 1983). Важное направление работ — поиск продуцентов Н2 с устойчивой
к О2 гидрогеназой.
Другим ферментом, катализирующим выделение водорода, является нитрогеназа.
У всех микроорганизмов нитрогеназа состоит из двух, компонентов, а именно
из MoFeS-протеида (молибдоферредоксина) и FeS-протеида (азоферредоксина).
Основной функцией нитрогеназы является восстановление молекулярного азота:
N2 + 8H+ + 8е- + nАТФ -> 2NH3 + Н2 + nАДФ + nфосфорная кислота
В отсутствие основного субстрата (N2) нитрогеназа катализирует
энергозависимое
восстановление Н+ с образованием Н2. Переключение фермента с одного режима
работы на другой является технологической проблемой. Один из путей решения
— получение штаммов микроорганизмов с нитрогеназой, не утилизирующей азот.
В Японии получен штамм Anabaena sp., который осуществляет биофотолиз воды в
режиме, не чувствительном к Н2, О2 и N2. Повышению эффективности
биофотолиза воды способствует чередование периодов функционирования
биообъекта как продуцента Н2 и О2 с периодами «отдыха», когда клетки
фотоассими-лируют СО2 (вводимый на этот период в среду культивирования).
Возможно комбинирование процессов получения Н2 и других ценных продуктов. В
частности, представители рода Clostridium дают органические растворители и
в то же время обладают активной гидрогеназой. Если в реакторе с культурой
Cl. saccharo-perbutylacetoniocum не создавать оттока для выделяющегося Н2,
то наблюдается ингибирование образования Н2 и эффективный синтез бутанола,
ацетона и этанола. Если водороду обеспечивают свободный отток, то наряду с
довольно активным образованием Н2 культура синтезирует лишь этанол. Этот
пример иллюстрирует возможность управления ходом биотехнологического
процесса условиями культивирования биообъекта.
Таким образом, предложены разнообразные проекты систем для получения
водорода с использованием биообъектов. Речь идет о вмешательстве человека в
процесс биоконверсии энергии с целью добиться ее возможно более полного
превращения в энергию химической связи в молекуле Н2.
Пути повышения эффективности фотосинтетических систем.
Рассчитанная теоретически эффективность фотосинтеза, т. е. коэффициент
превращения световой энергии в химическую энергию органических веществ,
близка к 15%. Фактически, однако, наиболее продуктивные культурные растения
запасают не более 1,5—2% энергии падающего света. Актуальная проблема
технологической биоэнергетики — повышение эффективности фотосинтеза у
культурных растений.
Разрабатывают следующие основные подходы к решению этой проблемы: 1)
повышение коэффициента превращения солнечной энергии до 4—5% за счет
увеличения площади листьев и их раннего формирования; 2) вмешательство в
системы регуляции фотосинтеза — сбалансированное использование
фитогормонов, трансплантация регуляторных генов; 3) увеличение скорости
роста растений за счет оптимизации водного и минерального питания, что
приведет к повышению их фотосинтетической активности; 4) увеличение числа
хлоропластов в клетке на единицу площади листа; 5) установление
оптимального соотношения между функционирующими реакционными центрами
хлорофилла и промежуточными переносчиками электронов, например,
цитохромами; 6) увеличение скорости переноса электронов между фотосистемами
I и II и эффективности сопряжения между транспортом электронов и синтезом
АТФ.
Радикальным способом максимизации эффективности фотосинтеза было бы
создание искусственных фотосистем, имитирующих основные блоки
фотосинтетического аппарата живых организмов, но внедрение подобных
преобразователей энергии, по-видимому, отделено от нас несколькими
десятилетиями.
Биотопливные элементы.
На уровне поисковых разработок находятся биотоплйвные элементы,
превращающие химическую энергию субстрата в электрическую. Примерами могут
служить топливные элементы на основе окисления метанола в муравьиную
кислоту с участием алкогольдегидрогеназы, муравьиной кислоты в CU2 с
участием формиатдегидрогеназы, глюкозы в глюконовую кислоту с участием
глюкозооксидазы. Используют также катали -тическую активность целых клеток,
например Е. coli, Вас. subtilis, Ps. aeruginosa, в реакции окисления
глюкозы.
Окисление субстрата происходит на электроде (аноде). Посредником между
субстратом и анодом является биокатализатор. Существуют два пути дальнейшей
передачи электронов на
электрод: 1) с участием медиатора и 2) непосредственный транспорт
электронов на электрод (А. И. Ярополов, И. В. Березин, 1985). Конструкция
биотопливного элемента позволяет генерировать не только электрический ток,
но и осуществлять важные химические превращения. Например, топливный
элемент с глюкозооксида-зой и p-D-фруктофуранидазой переводит сахарозу в
смесь фруктозы и глюконовой кислоты.
Ферментные электроды применяются не только в топливных элементах. Они
представляют собой основной компонент биологических датчиков — биосенсоров,
широко применяемых в химиче-
ской промышленности, медицине, при контроле за биотехнологическими
процессами, в аналитических целях и т. д. Обычно используют системы с
биокатализатором, иммобилизованным на поверхности мембранного электрода.
Например, иммобилизацией пенициллиназы на обычном рН-электроде получают
чувствительный биосенсор, регистрирующий концентрацию пенициллина.
Иммобилизация клеток Е. coli на кислородном электроде дает биосенсор для
измерения концентрации глутаминовой кислоты, а иммобилизация клеток Nitro-
somonas sp. и Nitrobacter sp. на том же электроде — биосенсор на NH4+. На
биосенсоре протекают следующие превращения: NH4+Nitrosomonas NO2
Nitrobacter NO3 Разработаны биосенсоры для быстрой регистрации концентрации
глюкозы в крови больного, что особенно важно при диагностике диабета.
3. Биотехнология и медицина
Нет такого экспериментального подхода или исследовательского направления в
биотехнологии, которые бы не получили применения в медицине. Вот почему
столь многообразны связи между биотехнологией и самой гуманной из всех
наук. Здесь мы остановимся лишь на основных моментах.
Антибиотики.
Антибиотики — это специфические продукты жизнедеятельности, обладающие
высокой физиологической активностью по отношению к определенным группам
микроорганизмов и к злокачественным опухолям, избирательно задерживающих их
рост или полностью подавляющих развитие (Н. С. Егоров, 1979). Далеко не все
из этих соединений, число которых приближается к 5000, допущены для
применения в медицине. К важнейшим антибиотикам терапевтического назначения
принадлежат следующие их классы (табл. 2).
Приведенные классы антибиотиков не исчерпывают их многообразия, список их
пополняется с каждым годом. Причины неослабевающего внимания к поиску новых
антибиотиков, как видно из табл. 10, связаны с токсичностью существующих
антибиотиков, аллергическими реакциями, вызываемыми ими, нарастанием
устойчивости патогенных микроорганизмов к применяемым препаратам и, помимо
этого, с необходимостью изыскания средств борьбы с возбудителями, против
которых недостаточно эффективны известные ныне антибиотики. Основные пути
поиска включают:
1. Испытание новых продуцентов. Так, с начала 80-х годов исследуют
миксобактерии, продуцирующие большое количество антимикробных агентов (Н.
Thierbach, N. Reichenbach, 1981).
2. Химическая модификация антибиотиков. Противомикроб-ные макролиды
токсичны для человека. Например, гептаен амфо-терицин В, используемый по
жизненным показаниям при тяжелых микозах, вызывает необратимые поражения
почек. Получены метиловые эфиры амфотерицина, менее токсичные и
сохраняющие противогрибковую активность. При модификации пенициллинов и
цефалоспоринов используют иммобилизованные ферменты.
Таблица 2. Важнейшие классы антибиотиков терапевтического назначения
(по И Г.. Егорову, 1979; Д.Ланчини, Ф Паренти, 1985)
|Класс |Типичные |Продуценты |На кого |Механизм |Трудности |
| |антибиотики | |действует |действии |терапевтическ|
| | | | | |ого |
| | | | | |применения |
|?-Лактамные|Пенициллины,|Грибы |Грамположител|Нарушение |Аллергические|
| |це-фалоспори|родов |ь-ные и |синтеза |реакции |
| |ны |Реnicillium,|грамотрицател|клеточной | |
| | |Cephalosporu|ьные |стенки | |
| | |m |бактерии | | |
|Аминогликоз|Стрептомицин|Актиномицеты|В основном |Необратимое |Токсическое |
|идные |, |рода |грамотрицател|подавление |действие на |
| |гентамицин, |Streptomyces|ьные |синтеза |слуховой нерв|
| |канамицин, |, бактерии |бактерии |белка |и почки |
| |тобрамицин, |родов | | | |
| |амикацин |Micromonospo| | | |
| | |ra. Bacillus| | | |
| | | | | | |
|Тетрациклин|Одноименные |Актиномицеты|Грамположител|Обратимое |Распространен|
|ы |антибиотики |рода |ьные и |подавление |ие устойчивых|
| | |Streptomyces|грамотрицател|синтеза |штаммов |
| | | |ьные |белка | |
| | | |бактерии, | | |
| | | |риккетсии, | | |
| | | |хламидии, | | |
| | | |простейшие | | |
|Макролиды |Антибактериа|Актиномицеты|Грамположител|То же |Токсичность |
| |льные: |рода |ьные бактерии|Нарушение | |
| |эритромицин |Streptomyces|Грибы, |плазматическ| |
| |Противогрибк|То же |некоторые |ой | |
| |овые и | |простейшие |мембраны | |
| |антипротозой| | | | |
| |ные: полиены| | | | |
| | | | | | |
|Полипептидн|Полимиксины,|Различные |В основном |Механизм |Высокая |
|ые и |грамицидины,|микро-органи|грамотрицател|действия |токсичность |
|депсипептид|бацитрацины |змы |ьные |различен | |
|ные | | |бактерии | | |
3. Мутасинтез. Применяют мутантные штаммы, у которых блокирован синтез
отдельных фрагментов молекулы антибиотика. В среду культивирования
вносят аналоги этих фрагментов. Микроорганизм использует эти аналоги для
биосинтеза, в результате чего получают модифицированный антибиотик.
4. Клеточная инженерия. Получают гибридные антибиотики, например, с новыми
комбинациями агликона и Сахаров.
5. Генетическая инженерия — введение в геном микроорганизма информации о
ферменте, необходимом для модификации продуцируемого антибиотика,
например его метилирования при помощи метилаз.
Важной задачей является повышение эффективности биосинтеза известных
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|