В будущем благодаря расширению сферы своего применения биотехнология сделает весомый вклад в повышение уровня жиз­ни (табл. 1.3). Быстрее всего ее применение даст результаты в медицине, но в более отдаленном будущем (лет через десять) _r по мнению наиболее компетентных специалистов, самый боль­шой экономичский эффект будет получен от применения биотех­нологии в сельском хозяйстве и химической промышленности. Ниже мы вкратце обсудим некоторые последние достижения этой науки, потенциально важные для медицины, энергетики, про­изводства пищевых продуктов и напитков, получения химиче­ских соединений, различных материалов, для защиты окружаю­щей среды и для сельского хозяйства. Многие из этих аспектов обсуждаются более подробно в последующих главах.

Таблица 1.3. Сфера применения методов биотехнологии

Приборы для аналитической химии

Процессы биосинтеза и биодеградации

Углеродсодержащее сырье для химической промышленности Химическая переработка (очистка продукта)

Химические продукты, использующиеся в быту:

клеи, детергенты, красители, волокна, вкусовые добавки, желирующие вещества и загустители, камеди и раститель­ные клеи, душистые вещества, пигменты, пластики, смазки, воска и пр.

Источники энергии

Контроль за состоянием окружающей среды (воздух, вода и почва)

Пища и напитки (сельскохозяйственное производство и пере­работка)

Здравоохранение (диагностика, лечение), борьба с болезня­ми растений и животных

Добыча минерального сырья на суше и в море

1.4.1. Медицина

В последнее время все мы имели возможность убедиться, что благодаря применению технологии рекомбинантных ДНК были достигнуты крупные успехи в медицине. Многие фирмы, напри­
мер, весьма преуспели в разработке эффективных методов про­мышленного производства человеческого интерферона (для это­го гены человека были клонированы в микроорганизмах). Отме­тим, впрочем, что многие и сейчас сомневаются в эффективно­сти интерферона как антивирусного и противоопухолевого средства. Помимо гена интерферона были клонированы гены инсулина и гормона роста человека. Эти гены экспрессируются и в бактериях. В целях крупномасштабного производства были клонированы гены многих других белков человека, необходи­мых для диагностики или для лечения. Когда мы писали эту книгу, уже поступил в продажу полученный при помощи мик­робов инсулин человека, который используется в медицине. Большое значение имеет и разработка методов производства моноклональных антител. Более подробно речь о них пойдет в гл. 8. Способы их применения сведены в табл. 1.4.

Таблица 1.4. Возможные способы применения моноклональных антител

Не приходится сомневаться, что все шире и шире в диаг­ностике, терапии и при трансплантации клеток и тканей будут использоваться ферменты.

К числу активно разрабатываемых, но не вышедших еще из «детского возраста» сфер применения биотехнологии, которые окажут, наверное, наибольшее влияние на развитие медицины и промышленности, относятся биоэлектроника и биоэлектрохимия, в которых используется взаимодействие биологических, электри­ческих и электронных' систем. В последние годы здесь достиг­нуты заметные успехи. Так, принципы электронной инженерии нашли применение при разработке инфузионных насосов, а так­же эффективных комплексных устройств, в которых использу­ются биологические соединения, чаще всего ферменты или анти­тела, и различные типы электродов. Создан целый ряд чувстви­тельных датчиков, например контролирующих содержание глю­козы (для применения в медицине) или же нервных газов: (в военных целях). Действие большинства из разработанных на сегодня датчиков основано на улавливании продуктов дей­ствия ферментов. Для этого используются обычные электроды с иммобилизованной на них биологической системой. Новые подходы в этой области ставят своей целью создание более чув­ствительных и эффективных приборов и расширение сферы их применения. В основе работы таких устройств лежит процесс прямого переноса электронов между электродами и окисли­тельно-восстановительными центрами белков. Делаются попыт­ки подключения белков ко входу полупроводниковых приборов.

Если не вдаваться в детали, то в количественном отношении наиболее широко в медицине применяются фермент-содержа- щие датчики нескольких разновидностей для определения со­держания глюкозы. На их основе будет разработан ряд уст­ройств, например дешевые, точные и надежные приборы для проведения анализов in vivo. Считается, что основное приме­нение они найдут при регуляции содержания сахара в крови у больных диабетом. Недостаточно точный контроль уровня са­хара при этой болезни, по-видимому, приводит к развитию от­даленных, опасных для жизни побочных последствий диабета. Использование датчиков позволит замкнуть цепь контроля в аппаратах «искусственная поджелудочная железа».

В ближайшие десять лет, по-видимому, поступят в продажу и другие датчики, позволяющие, например, определять содержа­ние отдельных компонентов крови. Появятся и биоэлектронные иммуносенсоры, причем в некоторых из них будет использо­ваться полевой эффект транзисторов. На их основе предполага­ется создать относительно дешевые приборы, способные опре­делять и поддерживать на заданном уровне концентрацию ши­рокого круга веществ в жидкостях тела, что может вызвать пе­реворот в диагностике.

Специфические каталитические свойства биологических си­стем не нашли пока столь широкого применения, как это про­гнозировалось в начале 60-х годов; в то же время новые мето­ды, основанные на способности таких систем к узнаванию, ско­ро будут внедрены как в медицине, так и в промышленности, особенно по мере усовершенствования технологии. Объяснение тому простое: во многих случаях на практике химические ката­лизаторы при всех их недостатках с экономической точки зре­ния оказываются выгоднее, чем биокатализаторы. Попытки хи­миков решить проблему специфического узнавания не слишком обнадеживают, и поэтому, если удастся преодолеть некоторые трудности, связанные с сопряжением систем и их стабильностью, биологический подход в целом окажется предпочтительней. Ус­пешно развивается и направление, связанное с разработкой дат­чиков, основанных на использовании комбинации иммобилизо­ванных, стабилизированных микроорганизмов и электродов.

1.4.2. Энергетика

В ходе эволюции в биологических системах сформировался ряд весьма совершенных механизмов превращения энергии. На рис. 1.3 представлены основные известные их типы, часть которых используется разными способами, особенно реакции 1, 2 и 9. Более подробно мы обсудим их в гл. 2. Отметим, что биомасса постоянно используется для получения электрической энергии за счет небиологических эквивалентов в реакциях 8 и 11.

Рис. 1.3. Основные пути превращения энергии в живых системах.

Что касается возможного вклада биотехнологии в решение проблем энергообеспечения, то здесь в отличие от других обла­стей ее применения предсказать что-либо гораздо сложнее. В последние годы немало говорилось об «энергетическом кризи­се»: запасы ископаемого топлива ограничены, а население рас­тет, и потребление энергии per capita все увеличивается. В этом контексте обсуждаются и перспективы использования ядерной энергии. Неравномерность распределения запасов ископаемого топлива, а также наличие ряда сложных политических и эконо­мических факторов делают любые предсказания особенно сложными. Наиболее важным является здесь то обстоятельство, что около 99,4%, или 1,7∙ IO²³ калорий в год, доступной нам не­ядерной энергии мы получаем от Солнца, и часть ее аккумули­руется в биомассе, хотя и с малой эффективностью, порядка 1—2%. По этой причине биомасса представляет собой постоян­но возобновляемый источник химической энергии. Ее можно сжигать или довольно простыми способами превращать при по­мощи микроорганизмов в жидкое или газообразное топливо (метан, этиловый спирт или водород). Однако биомасса исполь­зуется и для других целей: она служит пищей для людей и да­ет ряд ценных видов сырья.

Со временем биомасса, видимо, будет все более распростра­ненным исходным продуктом при производстве сырья для хи­мической промышленности на основе биотехнологических про­цессов. Примером такого рода может быть превращение лигни­на в соединения ароматического ряда.

Конкуренция за имеющиеся в наличии запасы биомассы усу­губляется тем, что площади, пригодные для ее производства, из-за роста населения постоянно уменьшаются. По этой при­чине дать точный глобальный прогноз использования энергии, получаемой из биомассы, довольно трудно. Отметим, однако, что из-за недостатка ископаемого топлива в некоторых странах (например, в странах Южной и Северной Америки) производ­ство этилового спирта путем ферментации становится все более популярным, особенно для использования в качестве добавки и/или для замены нефти как горючего на транспорте. Если рас­сматривать это производство само по себе, то экономическая его обоснованность оказывается весьма сомнительной, но оно приемлемо для некоторых стран по политическим соображени­ям (Бразилия, США).

В последнее время вновь пробудился интерес к разработке биотопливных элементов, с помощью которых можно с высо­кой эффективностью и при обычной температуре получать из ряда видов топлива и биомассы электрическую энергию. Хотя эти устройства и находят уже применение (например, в качест­ве специальных датчиков), в большинстве случаев с их помо­щью сложно получить на электродах ток достаточной плотно­сти, что позволяло бы использовать их в качестве крупномас­штабных преобразователей энергии. Возможно, однако, что уже в ближайшем будущем они найдут применение в специ­альных областях энергетики. Единственным исключением среди них является «гибридный» водородный биотопливный элемент: в нем водород, образующийся при брожении, используется в обычном водород-кислородном элементе. Впрочем, и другие биотопливные элементы могут со временем найти применение для получения дешевой электроэнергии путем переработки сто­ков, отходов или окиси углерода.

Поскольку солнечный свет является мощным источником энергии, а количество имеющейся биомассы ограничено, неко­торые биотехнологи, работающие над проблемами энергетики, занялись разработкой двух проблем, решение которых позволи­ло бы повысить эффективность использования солнечной энер­гии. Во-первых, они пытаются найти практические способы повышения эффективности конверсии солнечного света в био­массу, например путем выращивания водорослей при высокой концентрации углекислого газа и ограниченной освещенности в биореакторах со строго контролируемыми условиями роста. Во- вторых, они изучают возможность получения водорода путем расщепления воды при участии фотосистемы фотосинтезирую­щих организмов, т.е. путем биофотолиза. Технически проще все­го получать водород, используя интактные сине-зеленые водо­росли или процессы ферментации (брожения). Надо сказать, однако, что если биотехнология всерьез намерена внести в бу­дущем весомый вклад в производство энергии, то ей придется решить нетривиальную техническую задачу: на основе биофото­лиза разработать сложный реактор, включающий упорядочен­ные стабильные биофотосистемы.

В самом ближайшем будущем биотехнология станет играть все возрастающую роль и при добыче нефти. Поскольку цены на нефть растут, добыча ее из сложных в эксплуатации зале­жей становится все более экономически выгодной. Здесь могут оказаться полезными микроорганизмы. Во-первых, некоторые образуемые ими полимеры, особенно производные ксантана, можно использовать в качестве компонентов закачиваемых в пласт растворов, обладающих нужными реологическими харак­теристиками, для добычи остаточной нефти (гл. 5). Во-вторых, в нефтяной промышленности используются поверхностно-актив­ные вещества микробного происхождения. C экономической точ­ки зрения производство таких веществ будет особенно выгод­ным, если их удастся получать путем микробиологической пе­реработки отходов, содержащих нефть. Как правило, экономи­ческие характеристики биотехнологических процессов улучша­ются, если удается совместить переработку отходов с производ­ством полезного продукта.

Некоторые группы ученых работают сегодня над разработ­кой более долгосрочных крупномасштабных программ. Предпо­лагается, например, вводить подходящие микроорганизмы не­посредственно в нефтяной пласт, чтобы ускорить отток нефти из пористых пород.

1.4.3. Пищевые продукты и напитки

Традиционные способы использования микроорганизмов при производстве различных сортов пива, вина и сброженных про­дуктов совершенствовались тысячелетиями, и все же до недав­него времени в них было больше искусства, чем технологии. Только с развитием микробиологии мы получили возможность контролировать качество продуктов, добились большей надеж­ности и воспроизводимости процессов ферментации и научились получать новые типы продукции (например, БОО и вкусовые добавки). Сегодня нам еще трудно с уверенностью говорить о том, каких успехов удастся достичь в этой области с помощью биотехнологии, но самые общие тенденции вырисовываются до­вольно ясно. Наиболее успешными представляются два взаимо­связанных направления. Во-первых, на смену традиционным способам производства пищи постепенно придут биореакторы, в которых будут расти клетки животных или растений или же микроорганизмы. Дело в том, что выход продукции при ис­пользовании ферментеров или биореакторов может быть суще­ственно выше, чем в сельском хозяйстве: идущие в них процес­сы гораздо более интенсивны. Развитию этого направления спо­собствует и все возрастающая конкуренция за имеющиеся зе­мельные ресурсы. Во-вторых, эта альтернативная технология будет становиться все более производительной благодаря ис­пользованию методов генетической инженерии, которые позво­ляют получать улучшенные линии клеток и штаммы микроор­ганизмов.

Такая тенденция в развитии пищевой промышленности пу­тем интенсификации биотехнологических процессов уже прояви­лась в полной мере при выработке ценных пищевых добавок. Наиболее яркий пример — производство лимонной кислоты (гл. 3). Сегодня ее получают главным образом микробиологи­ческим методом, а не из цитрусовых. Намечается также рост использования микробных белков в питании человека.

Новые возможности открываются и в развитии нетрадици­онных способов выработки пищевых продуктов. Так, в Японии говядина стоит дорого и производится в недостаточном количе­стве. Эта страна представляет собой поэтому потенциально очень емкий рынок для сбыта хороших заменителей говядины, изготовленных на основе других белковых продуктов.

1.4.4. Химические соединения

Применение биологических систем для производства химических соединений в принципе дает ряд преимуществ, однако сегодня лишь малое их число получают с помощью биотехнологиче­ских процессов. К ним относятся сравнительно дешевые, но ис­пользуемые в больших количествах как топливо этиловый спирт и метан, а также ряд ценных и довольно дорогих веществ, при­меняющихся в медицине и для пищевых целей (лимонная кис­лота, итаконовая кислота, аминокислоты, стероиды и антибио­тики) .

В принципе производство химических веществ на основе биокатализа имеет следующие преимущества: специфичность, легкость контроля, работа при низких температурах, совмести­мость с окружающей средой и простота. Особенно важны два первых из них. Так, химическая промышленность органических соединений базируется сегодня в значительной мере на нефти, а большинство производимых ею продуктов переработки нефти получают путем частичного окисления сырья. Достичь специфи­ческого контролируемого и частичного окисления при помощи существующих катализаторов довольно сложно, а микроорга­низмы осуществляют эти типы реакций мастерски, без труда.

По ряду причин биотехнологии еще только предстоит вне­сти свой вклад в развитие химической промышленности, хотя уже сегодня мы многое знаем о потенциально полезных в этом плане биологических системах. Одна из главных проблем заклю­чается в том, что основанные на биотехнологии отрасли хими­ческой промышленности будут использовать нетрадиционную технологию. Реакции, как правило, будут идти при низких тем­пературах и давлении, в водной среде, хотя ряд эксперимен­тальных систем работает и в органической фазе. В некоторых случаях скорость таких процессов невелика, а катализаторы не очень стабильны. Однако важнее всего, видимо, то обстоятель­ство, что наибольшее влияние на развитие химической промыш­ленности по вполне понятным причинам оказывают химики. По сравнению с другими областями технологии разработка мето­дов биотехнологического катализа до недавнего времени велась здесь малыми силами и при скудном финансировании.

Роль биокатализа в химической промышленности сегодня весьма необычна. C одной стороны, появление генетической ин­женерии воскресило к нему интерес, поскольку появилась воз­можность существенно улучшить рабочие характеристики био­катализаторов, особенно интактных микроорганизмов. C другой стороны, на разработку таких новых процессов требуется не­малое время (от десяти до двадцати лет) и это наряду с высо­кой стоимостью изысканий и внедрения приводит при органи­зации производства к крупным расходам (10—25% от общей стоимости осуществления проекта). Новые возможности для более широкого применения биокатализаторов в химической промышленности возникли, когда она столкнулась с рядом эко­номических проблем.

Все эти соображения, а также тот факт, что недавнее внед­рение биопроцессов в многотоннажное производство некоторых химических соединений (например, окиси пропена) привлекли к себе большое внимание, позволяют думать, что скоро мы ста­нем свидетелями использования биокатализа, в первую очередь для синтеза небольших партий веществ с высокой прибавочной стоимостью. Опыт, накопленный при производстве таких ве­ществ, поможет развитию многотоннажного производства хи­мических соединений.

Существуют три главных способа синтеза химических со­единений на основе биокатализа: 1) путем использования куль­тур клеток растений или животных, образующих дорогостоя­щие вещества; 2) путем использования микроорганизмов, при необходимости измененных методами генетической инженерии, для биосинтеза или модификации химических веществ; 3) путем использования измененных методами генетической инженерии микроорганизмов в качестве «устройств» для экспрессии генов растений и животных, что позволяет синтезировать в больших количествах особые, присущие только высшим организмам хи­мические соединения.

Сделаны первые попытки объединить химическую, биологи­ческую и электронную технологии, и здесь, по-видимому, будут достигнуты выдающиеся результаты. Таким путем могут быть созданы специфические датчики для регуляции процессов в хи­мической и пищевой промышленности, для медицинской диаг­ностики, мониторинга и контроля, для наблюдения за состояни­ем окружающей среды. Особенно заманчивой кажется возмож­ность создания полупроводниковых биодатчиков, основанных на микрочипах (micro-chipe). Такие устройства после их усо­вершенствования будут достаточно дешевы в производстве и позволят одновременно контролировать многие параметры при помощи одного крошечного биоэлектронного прибора. Все это может быть выполнено в течение пяти — двадцати лет. Более простые датчики, основанные на использовании полупроводни­ков или технологии тонких слоев, будут разработаны в ближай­шие пять лет.

В следующем разделе мы обсудим перспективы развития производства пластмасс, эмульгаторов и загустителей при учас­тии микроорганизмов.

1.4.5. Материалы

Биотехнология может оказать влияние на получение и исполь­зование различных материалов по меньшей мере тремя спосо­бами. Во-первых, она будет способствовать развитию добычи промышленного сырья, например нефти и других полезных ис­копаемых. Во-вторых, все более широко станут использоваться продукты микробного происхождения, например для производ­ства разлагаемых с помощью микроорганизмов пластмасс, эмульгаторов и загущающих веществ. Наконец, будут усовер­шенствованы способы защиты различных веществ от разруше­ния их микроорганизмами.

Подробно перспективы дальнейшего усовершенствования микробиологических способов выщелачивания руд, а также ис­пользования полимеров и поверхностно-активных веществ мик­робного происхождения при добыче нефти обсуждаются в гл. 5. Наиболее многообещающим сырьем для производства био­пластмасс является одно из резервных веществ клеток, полиф- гидроксибутират (ПГБ). В настоящее время в промышленности ведутся активные исследования как самого этого вещества и его производных, так и способов их получения.

Проблема биоповреждений обычно не обсуждается в ряду проблем биотехнологии, но она, без сомнения, весьма актуаль­на и сложна с технической точки зрения, а роль ее в экономике весьма существенна.

Биоповреждения — неизбежное следствие важнейшей роли микроорганизмов в круговороте элементов в биосфере. Прояв­ления биоповреждений весьма многообразны: от порчи пище­вых продуктов до загрязнения смазочных масел и топливных систем, разрушения бетона и развития электрохимических про­цессов коррозии под влиянием микроорганизмов. Биотехноло­гия поможет создать новые методы борьбы с биоповреждениями благодаря более глубокому пониманию лежащих в их основе процессов. На этой базе могут быть созданы новые биотехноло­гические процессы. Примером такого рода служит использова­ние ферментов в пищевой промышленности.

На основе биотехнологических принципов будут созданы но­вые типы датчиков для контроля уровня микробного загрязне­ния сырья.

 1.4.6.Окружающая среда

По мере того как увеличивается население Земли и развивает­ся промышленность, все более серьезной становится проблема охраны окружающей среды. В решении такого рода задач био­технология будет играть все возрастающую роль, в частности, в том, что касается разработки новых или усовершенствования существующих способов переработки отходов. Такие методы и системы будут создаваться в значительной мере на основе ис­следований в области химической инженерии, но свое веское слово скажут также физиологи микроорганизмов, биохимики и генетики. Новейшие процессы переработки необычных отходов

будут основаны на использовании микроорганизмов, обладаю­щих новыми, неизвестными ранее или искусственно созданны­ми катаболическими способностями. Более подробно эти две возможности мы обсудим в гл. 6.

Окружающая среда является, без сомнения, как бы общим знаменателем для всех видов деятельности, о которых пойдет речь в этой книге, так как все они оказывают на нее влияние. Так, расширение использования биотехнологии в химической промышленности должно привести к созданию новых ее отрас­лей, лучше совместимых с окружающей средой. Такие же на­дежды возлагаются и на биоинженерию. Разработка биодатчи­ков поможет осуществлять мониторинг и контролировать усло­вия среды. Понятно, что проблемы защиты окружающей среды неразрывно связаны с сельским хозяйством.

 1.4.7.Сельское хозяйство

Точки соприкосновения биотехнологии и сельского хозяйства весьма многообразны. Продукция сельского хозяйства может использоваться в промышленности, например для производства этилового спирта из излишков низкокачественного вина. Такой подход получил дальнейшее развитие: для выработки спирта сельскохозяйственные культуры начали выращивать специаль­но. Большая часть продукции современного сельского хозяйства служит сырьем для развитой пищевой промышленности. В ка­честве сырья могут использоваться и отходы сельского хозяй­ства: в частности, большое внимание уделяется возможности получения топливного газа из навоза с сохранением его ценно­сти как удобрения. Для усовершенствования процессов в этой отрасли необходимо иметь более четкое представление о ско­рости разложения различных субстратов и роли микроорганиз­мов, в них участвующих.

В ветеринарии биотехнология используется для получения вакцин и сывороток. Если, как ожидается, вакцины удастся по­лучать при помощи микроорганизмов, модифицированных мето­дами генетической инженерии, мы станем свидетелями оконча­тельного искоренения таких опасных заболеваний, как ящур и сонная болезнь. Для увеличения выхода мяса могут использо­ваться гормоны роста. Современная биотехнология дает нам и корм для скота, например белково-витаминный концентрат. Впрочем, нужно еще доказать, что его применение экономичес­ки целесообразно, по крайней мере в западных странах.

Биотехнология поможет разработать новые способы улуч­шения сельскохозяйственных культур как по урожайности, так и по качеству. Можно будет использовать полученные с ее по­мощью заменители дорогостоящих химических удобрений или пестицидов или же добавки к ним. Так, потребности в азоте удастся удовлетворить путем внедрения биологической фикса­ции азота, основанной на симбиозе, а в фосфоре — путем вме­шательства в процессы, происходящие в микоризах. Задачей от­даленного будущего является передача способности к фиксации азота непосредственно отдельным сельскохозяйственным куль­турам путем введения в них гена нитрогеназы; в результате такие растения приобретут способность к синтезу фермента, ка­тализирующего реакцию фиксации азота. Это позволит сэко­номить энергию, затрачиваемую сегодня при химическом син­тезе аммиака. Есть надежда, что вместо пестицидов мы в бу­дущем сможем использовать методы биологического контроля— как широко известные, так и основанные на применении новых природных соединений. Так, например, в борьбе с одной из болезней растений, корончатым галлом, могут помочь бактерии. C бабочками-вредителями можно бороться с помощью Bacillus thuringiensis. Разработка таких методов не только принесет пользу сельскому хозяйству, но и сыграет важную роль в под­держании на должном уровне условий окружающей среды.

По общему мнению, наибольший вклад биотехнологии в сельское хозяйство следует ожидать за счет улучшения свойств самих растений путем- использования методов рекомбинантных ДНК и протопластов растений. Применительно к бобовым и злакам метод регенерации целых растений из отдельных клеток не дал пока сколько-нибудь значительных результатов. Однако работа с люцерной была небезуспешной, и это позволяет на­деяться, что опыты с бобовыми тоже будут более результатив­ными по мере разработки все более подходящих условий куль­тивирования. Применяя подобную технологию, быть может, удастся получить белки злаков, содержащие незаменимые ами­нокислоты, которых сейчас в них нет.