Михаил Бухар - Популярно о микробиологии

Здесь опять образцом для подражания служит живая природа. Рассматривая схему метаболических путей (последовательность превращений веществ в клетке), мы видим, что одно вещество является субстратом для определенной ферментативной реакции, а вновь полученный продукт, в свою очередь, служит субстратом для последующей.

Аналогичная последовательность должна быть создана и в системе безотходного производства. Отходы одного производства должны служить сырьем (основой) для следующего, и так до тех пор, пока в результате не получатся вещества, не обладающие негативным воздействием на экологическую ситуацию.

Однако создать такую же ферментативную «мельницу» для разрушения экологически опасных субстратов до углекислого газа и воды довольно затруднительно. Можно, правда, попытаться использовать в этих целях различные группы микроорганизмов, биохимическая активность которых последовательно соединяется в процессы, проходящие в биохимической «мельнице» клетки.

Так, отходы, получаемые при культивировании дрожжей и остающиеся после их сепарации, можно использовать для культивирования других микроорганизмов, а отходы, остающиеся после этого (второго) культивирования, послужат субстратом для метанового брожения. И, наконец, отходы метанового брожения тоже могут быть с успехом утилизированы, правда, уже не для выращивания микроорганизмов.

При добавлении в бетон метановой бражки в количестве 0,3 % от массы замеса его прочность увеличивается на 40 %, на 12 % уменьшается расход воды, возрастает морозоустойчивость и увеличивается расплыв конуса — важнейшая характеристика бетона.

Таким образом, есть способ избавиться от отходов различных брожений, используя их в качестве пластификаторов бетона. Для этих целей можно применять мелассу, последрожжевую барду и уже описанную выше метановую бражку. Эти отходы микробиологического производства, будучи замешенными в бетон, теряют экологически негативное влияние и, кроме того, придают ему дополнительные положительные качества.

Не менее существенна роль микробиологии в борьбе с антропогенными загрязнениями (см. главу 15 «Всеядные»).

В Англии удалось выделить микроорганизмы, превращающие полихлорвиниловые пленки в углекислый газ. Для этой цели не только выделяются или конструируются методами генетической инженерии соответствующие микроорганизмы, но и предлагаются новые биотехнологические решения. Так, шведские ученые решили еще при производстве пластмасс вводить в них находящиеся в состоянии анабиоза микроорганизмы, которые затем через определенное время или в зависимости от изменившихся окружающих условий (температуры, влажности, кислотности) активизируются и, интенсивно развиваясь, разрушают пластмассу, которая служила им временным убежищем. Уже сейчас в Европе используют пластиковые пакеты, на каждом из которых есть подпись: Се sac est 100 % oxo-biodégradable. SA durée de vie est limitée dans le temps. Après dégradation, il devient bio-assimilable. (Этот пакет полностью биодеградабельный. Длительность его жизни ограничена во времени. После разрушения он ассимилируется.)

Замена существующих технологий на биотехнологические предполагает максимально приблизить эти процессы по уровню безотходности к биологическим, где «отходом» являются углекислый газ и вода.

Биотехнология — это не только новые способы производства, но и качественно новые возможности обеспечения предприятий необходимыми средствами контроля. Например, аналитические возможности ферментативных датчиков таковы, что не требуется практически никакой подготовки анализируемого образца. Высочайшая избирательность позволяет проводить количественный анализ почти мгновенно, что дает возможность осуществлять действительно оперативный контроль и управление технологическими процессами. Устройство для анализа — так называемый «биосенсор», или ферментативный электрод, представляет собой интегральную схему с нанесенной пленкой, содержащей определенный фермент, при взаимодействии которого с исследуемой жидкостью изменяются электрические характеристики схемы, которые могут быть выведены на индикаторный прибор или непосредственно использованы в качестве управляющего сигнала.

Естественно, что оперативное получение информации о характере течения технологического процесса способствует повышению эффективности и является одной из отличительных черт биотехнологии.

Однако было бы неправильно думать, что новые технологии базируются в основном на использовании биохимической активности микроорганизмов. Не менее важным в создании новых технологий может оказаться использование биологических мембран, роль которых в жизнедеятельности живых организмов и микроорганизмов трудно переоценить. Если бы удалось создать и использовать в технологии методы разделения веществ с использованием биологических мембран или их аналогов, то это позволило бы в значительной степени обновить и существенно интенсифицировать способы разделения веществ, снизив при этом энергетические затраты на проведение этих процессов.

Более того, если бы удалось решить вопросы управления проницаемостью таких мембран (что и происходит в живой клетке), то на базе полупроницаемых мембран можно было бы создавать системы, аналогичные гибким технологическим системам в промышленности. Пока методов работы с биомембранами не разработано, ведь сначала должны быть предложены способы их выделения из нативных клеток, а также стабилизации. Исследования пленочного роста микроорганизмов позволили обнаружить не только удивительные механические свойства этих пленок (об этом упоминалось в главе 5), но и особенности контактов микроорганизмов друг с другом. Это позволило ученым из Массачусетского технологического университета увеличить мощность топливных элементов в несколько раз. При этом пленка функционировала как единая токопроводящая система, объединяющая индивидуальные потоки электронов, производимые отдельными клетками.

Однако уже работают мембраны — аналоги живых мембран. Можно ли отнести эти технологии к биотехнологии? И да и нет. Но в конце концов неважно, как мы назовем эти новейшие технологии разделения, — главное, что они используют принципы, близкие к биологическим, и на основании этого (хотя и условно) могут быть отнесены к биотехнологическим процессам.

Помимо возможного использования биомембран реальный интерес представляет применение внутриклеточных органелл микробной клетки, в частности, магнитосом. По сути они представляют собой маленькие магнитики, образующиеся внутри бактериальной клетки. В последнее время возникла потребность в магнитоуправляемых частицах для использования в диагностике и при лечении некоторых заболеваний.

Так, присоединение к антителам магнитных частиц вместо молекул флуоресцентных красителей примерно в 100 (!) раз повышает чувствительность методов выявления специфических белков, используемых для диагностики.

Кроме того, магнитные частицы применяются для гипертермии. Суть этого метода в том, что микромагниты можно с помощью магнитов или под действием магнитных полей направлять в нужный орган и удерживать там, а облучая их высокочастотным электромагнитным полем, вызывать локальный точечный нагрев, приводящий к гибели окружающих магнит клеток раковой опухоли.

Производство магнитных частиц одинаковой формы и размера — достаточно сложная задача, особенно если они измеряются нанометрами. И это только часть задачи: нужно еще покрыть каждую частицу белковой или углеводной оболочкой, к которой можно будет «привязать» химическими связями антитело.

Между тем есть другой, микробиологический путь получения таких магнитных частиц. Известно, что некоторые бактерии (такие как, например, Magnetospirillum magneticum) способны извлекать железо из окружающей среды и синтезировать магнитные частицы, причем со значительно меньшим разбросом по величине и форме, чем при физико-химическом синтезе, и, кроме того, уже покрытые биологической мембраной. Вдобавок ко всему возможности генетической инженерии позволяют осуществлять синтез магнитных частиц с уже прикрепленными к ним антителами.

Таким образом, биотехнология позволяет получать магнитные частицы с различными антителами и использовать их для точной «адресной» доставки лекарств, радионуклидов или «тепловых бомб» к пораженным органам и даже клеткам и осуществить наконец мечту Пауля Эрлиха о «магической пуле».

Биотехнология может умело извлекать пользу не только из различных свойств микроорганизмов, но из самого факта их широкого распространения.

Рассмотрим один из таких примеров. Известно, что растения в принципе способны выдерживать снижение температуры до -6 °C. Однако в действительности серьезные поражения растительных тканей листьев, например, апельсиновых деревьев наступают при минусовых температурах, близких к нулю. Дело в том, что на поверхности листьев образуются кристаллы льда, разрушающие их ткань. Микробиологи из Калифорнийского и Колорадского университетов, изучая вопросы морозоустойчивости цитрусовых, установили, что центрами кристаллообразования льда служат бактерии Erwinia herbicola и Pseudomonas viringa. Если бы удалось убрать с поверхности листьев эти бактерии, то удалось бы сократить довольно значительные потери от заморозков. Ученые выделили вирусы, которые, интенсивно размножаясь, лизируют указанные бактерии, и растения переживают период похолодания со значительно меньшими поражениями, конечно, если температура не опускается ниже -6 °C. По расчетам ученых, можно избежать ежегодных миллиардных убытков при использовании этих вирусов. Обработка ими растений уже широко применяется.