Биотехнология от А до Я №5

Классика биотехнологии (4)

Ударим плесенью по нехватке белков

Различные микроорганизмы применяются в национальной кухне самых разных народов для приготовления тамошних национальных блюд. Здесь часто бывает важнее не возможность хранения продукта (особенно в жарких странах, где готовить еду заранее не принято - к вечеру обязательно прокиснет), а изменение в лучшую сторону его вкусовых и питательных свойств. В тропических странах недостаток белков в питании был и до сих пор остается проблемой номер один. Растительные белки неполноценны по составу, белка в растениях мало, а усваивается он на 50-60%. У чисто вегетарианской диеты масса других недостатков. Многих витаминов в растительных продуктах мало или они плохо усваиваются, а витамина В12 нет совсем, из-за чего у вегетарианцев часто развивается железодефицитная анемия. У детей нехватка животных белков может привести к алиментарной олигофрении (в переводе с медицинского - слабоумию, вызванному нарушением питания). И так далее.

Но, как известно, голод не тетка, беда научит, а голь на выдумки хитра. В районах с неразвитым скотоводством или морским промыслом микроорганизмы, способные синтезировать белки из углеводов, помогают компенсировать нехватку животных белков в традиционной туземной диете.

 

На Яве, Суматре и других островах Малайского архипелага готовят вкусные и полезные лепешки под общим названием темпех. Их делают из сои (кеделе), арахиса (онтьём) или молотой мякоти коксовых орехов (бонгкрек). Белка в этих продуктах достаточно много, особенно в сое, но усваивается он намного хуже животных белков. Если будете готовить кеделе, не забудьте, что сою обязательно следует полчаса прокипятить. В сырой сое содержатся ферменты, которые подавляют активность не только трипсина - пищеварительного фермента, который вырабатывается в поджелудочной железе и в кишечнике расщепляет белки на аминокислоты, - но и гормона роста. При кипячении эти вредные ферменты разрушаются. Пра-пра-прабабки нынешних индонезийских домохозяек ничего не знали ни о ферментах и гормонах, ни о микроорганизмах, но точно знали, что сырую сою есть не следует. Дети! Не ешьте сырую сою - сначала сварите или поджарьте ее!

Лепешки из подготовленного сырья перемешивают с закваской, оставшейся от вчерашней порции, и раскладывают на банановых листьях. В течение полутора-двух суток темпех зреет при тамошней комнатной температуре (около 30°С), после чего образуется однородная масса из размягченных орехов и микроскопических нитей плесени. Брожение происходит главным образом за счет плесневого грибка Rhizopus oligosporus, и в зависимости от сырья и штамма ризопуса цвет темпеха получается от светло-коричневого до черного. В некоторых районах Явы арахис сбраживают совершенно другим грибком, Neurospora sitophila. Тогда темпех получается красного цвета. Будете в Индонезии - обязательно попробуйте.

Общее количество белка в готовом продукте увеличивается с 40 до 50-55%. Усваивается этот белок почти полностью, так как часть его в процессе брожения распадается на аминокислоты. Около трети жиров тоже оказываются полупереваренными - они распадаются на глицерин и очень полезную линолевую кислоту. Витамина В₂ (рибофлавина) в темпехе в два раза, а витамина РР (никотиновой кислоты) - в пять раз больше, чем в исходном продукте. Кроме того, в килограмме темпеха образуется от пяти до тридцати микрограммов витамина В₁₂. Дневная норма его - от трех до пяти микрограммов, так что железодефицитная анемия индонезийцам не грозит. Любопытно, что синтезирует этот витамин оставшаяся неизвестной науке бактерия, которой нет в закваске для промышленного производства темпеха - соответственно, в казенном продукте нет и витамина В12. Зато перевод традиционной технологии на промышленную основу позволило разработать способ ферментации тем же грибком Rhizopus oligosporus более дешевого сырья - злаков и клубней кустарника маниока. В пшеничных лепешках под действием полезной плесени становится в шесть-семь раз больше белка - до 70%! Еще одно важное отличие заводского продукта от домашнего - то, что полученный на стандартной закваске и при постоянном микробиологическом контроле темпех не опасен для здоровья. А в домашних условиях в нем довольно легко развиваются бактерии рода Pseudomonas и грибки Aspergillus flavus, которые вырабатывают соответственно токсофлавин и афлатоксин - вещества очень вредные и канцерогенные.

Похожие на темпех блюда делают и в Африке, из кукурузы и сорго, и в Японии - из смеси злаков и бобовых. Будете в тех краях - рискните попробовать.

Не хлебом единым

Еще одна из древнейших биотехнологий до сих пор применяется в текстильной промышленности. В стеблях льна, конопли, крапивы для принцев-лебедей и других растений молекулы целлюлозы, состоящие из линейных цепочек молекул глюкозы, склеены пектинами. Чтобы получить из растительных волокон нитки, а из ниток - ткань, пектины необходимо разрушить. После этого состоящие из целлюлозы клеточные стенки растений можно трепать, чесать и сучить, нитки - прясть и ткать, а ткани шить. Каким-то образом одетые в шкуры или шерстяные ткани первобытные биотехнологи догадались замачивать стебли конопли в стоячей воде, а лен расстилать на лугу. При этом в пруду или в корыте, при очень низкой концентрации кислорода, создаются благоприятные условия для различных анаэробных бактерий, которые в природных условиях разлагают отмершие водные растения. В аэробных условиях, на периодически намокающих от росы стеблях льна, развиваются микроскопические грибы, которые выполняют ту же санитарную функцию - разлагают стебли растений - на суше. Главное в обоих процессах - остановить их вовремя, в тот момент, когда микроорганизмы уже съели вкусные пектины и еще не начали разрушать менее съедобную целлюлозу. Процесс мочки прядильных растений за тысячи лет изменился мало. Разумеется, лен по росе никто сейчас не раскладывает - его, как и коноплю, помещают в огромные чаны с нагретой до 37°С водой, добавляют туда культуру продуктивных штаммов бактерий Clostridium felsineum или Plectridium pectinovorum, и через двое суток продукт можно сушить и передавать на следующий, механический участок производства.

Микробов (опять же не зная, что это микробы) использовали даже в горном деле. Медь из ручейков, вытекающих из рудников или месторождений, финикийцы и римляне добывали еще три тысячи лет назад. Правда, потом об этом, как и о многих достижениях античности, надолго забыли. Метод выщелачивания меди из бедных руд возродили в шестнадцатом веке в Венгрии и Германии, задолго до открытия периодической системы элементов, ионов и других известных любому девятикласснику вещей. Ручейки, протекающие через груды выветрившейся породы или рудные отвалы, становились голубоватыми, а вода в них имела явный вкус медного купороса. А что железо в растворе медного купороса покрывается слоем меди, знали еще алхимики. Горнякам осталось только сообразить, что если в отстойник с раствором сернокислой меди набросать железного лома, образуется раствор сернокислого железа, а металлическая медь выпадает в осадок:

CuSO₄ + Fe⁰ = Cu⁰ + FeSO₄

- в полном соответствии с учебником неорганической химии для средней школы.

В семнадцатом веке эту технологию внедрили в Уэльсе, в восемнадцатом - на испанском месторождении Рио-Тинто, в конце девятнадцатого - в Российской империи, в Азербайджане. В начале ХХ века технологию усовершенствовали: с развитием химического производства стало рентабельным пропускать через отвалы или бедные руды (с содержанием меди до 0,4%) слабый раствор серной кислоты. Технология эта применялась на разных рудниках во всем мире, понемногу совершенствовалась (например, для извлечения меди из раствора вместо металлолома стали применять органические растворители), но никому и в голову не приходило, что этот процесс относится не к неорганической химии, а к промышленной микробиологии.

Только в 1947 году из рудничных вод выделили неизвестный ранее микроорганизм, который, как и множество открытых с тех пор похожих микробов, содержит ферменты - катализаторы окисления серы и сульфидов железа, меди и других металлов, а полученную энергию использует на образование органических веществ из углекислого газа. Без микроорганизмов, за счет чисто химических процессов, растворение меди происходило бы ровно в миллион раз медленнее. В кислой среде ферменты микроба работают намного быстрее, чем в нейтральной, поэтому серная кислота и ускоряет процесс выщелачивания. Открыватели - американские микробиологи Колмер и Хинкль - дали своему открытию красивое имя Thiobacillus ferrooxidans и продолжили удовлетворение личного любопытства за казенный счет. Оказалось, что эффективность процесса выщелачивания меди из сульфидов повышает родственный вид бактерий, T. thiooxidans, которая окисляет серу до окиси SO₃, которая при растворении в воде (опять же в точном соответствии с учебником) образует серную кислоту H₂SO₄. Так что заправить отвал серной кислотой можно в самом начале, а дальше бактерии будут сами себе поддерживать благоприятные условия и для своего существования, и для удержания ионов меди в растворе. Кроме того, когда T. thiooxidans окисляет молекулярную серу и удаляет ее с частиц породы, сульфиды становятся более доступными для T. ferrooxidans. Себестоимость меди, полученной с помощью бактерий, в полтора-два раза ниже, чем при обычном методе обжига руды. Этим методом в мире добывают сотни тысяч тонн меди в год. Хорошо, что в этом процессе можно обходиться дикими штаммами бактерий, которые, как и другие микроорганизмы, всегда обитают там, где есть подходящая для них пища: кому глюкоза, а кому - медный колчедан. В 1958 году способ выщелачивания металлов из руд с помощью Thiobacillus ferrooxidans был защищен патентом США. И не зря: методы чанового выщелачивания самых разных металлов из руд разрабатываются во всем мире, хотя дальше полупромышленных установок эти технологии пока не продвинулись. Когда они станут рентабельными, в металлургических биореакторах будут работать не дикие бактерии, а высокопродуктивные штаммы, полученные методами отбора и генной инженерии. И теория добычи металлов из морской воды давно разработана вплоть до разных схем промышленных установок. Осталось всего ничего: повысить эффективность работы целых микроорганизмов  или фиксированных на полимерных пленках молекул ферментов, чтобы эти установки стали рентабельными.

А пока в промышленных масштабах с помощью микроорганизмов добывают только медь и уран - и чановым способом, и из отвалов и открытых карьеров, и прямо из подземных месторождений. Для таких урановых рудников не нужно ни бараков, ни охранников, ни даже шахты с подъемником. Как это делают - тема для отдельного разговора.

Вы заметили, что от каменного века мы плавно перешли к двадцатому, к расцвету классической биотехнологии? Меня постоянно тянет начать с конца - с клонирования нобелевских лауреатов и мамонтов, выращивания запасных почек и прочих органов или производства компьютеров из вирусов и плесневых грибов, в которых информация будет храниться в хромосомах бактерий и прочих существующих реально или в проекте достижений современной биотехнологии.

Но для того, чтобы понять, о чем идет речь при описании всех этих биологических чудес и диковин, начинать надо с начала - так же, как в математике к таблицам логарифмов можно переходить только после знакомства с таблицей умножения.

Александр Чубенко

Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/