Неприхотливая спирулина
Перспективный объект для получения пищевого белка - нитчатые одноклеточные цианобактерии (сине-зеленые водоросли) рода Spirulina . В отличие от бактерий и грибов спирулина способна усваивать атмосферный азот. В природе - далёко-далёко на озере Чад, в мелких прибрежных заливах и прудах со щелочной водой - биомасса спирулины удваивается за три-четыре дня. Сбившиеся в клубки спиральные нити длиной в несколько миллиметров с заполненными газом вакуолями всплывают на поверхность, а ветер и прибой выбрасывают их на берег. Местами берега романтического озера Чад покрыты толстым-толстым слоем биомассы S. platensis . Попробовать ее на вкус догадались, наверное, самые первые местные жители. Независимо от них по другую сторону Атлантики жители окрестностей мексиканских озер стали собирать биомассу родственного вида спирулины.
У спирулины тонкая клеточная стенка, и переваривается она легче, чем хлорелла или дрожжи. В ней в два раза меньше нуклеиновых кислот, чем в дрожжах, много витаминов, микроэлементов, полиненасыщенных жирных кислот и 65-70% от сухого веса почти идеального по составу белка.
Описание фитотрона для выращивания спирулины хоть на космической, хоть на полярной станции (были бы тепло, вода, минеральные соли и свет) я читал еще в восьмидесятые годы. Но до сих пор в качестве продукта питания спирулину используют только бедные мексиканцы и африканцы, у которых она валяется под ногами. Всем остальным ее продают не фунтовыми лепешками, а в таблетках по цене биологически активной добавки, хотя все, что нужно для ее выращивания, это много солнца и щелочная среда в водоеме.
В тропических странах тысячи лет готовят лепешки из углеводного сырья, перебродившего под действием различных плесневых грибков, компенсируя тем самым нехватку белков и витаминов. И технология промышленного производства таких лепешек давно отработана, но не стала популярной даже в тропиках, хотя из пшеничной муки при этом получается полезный и, по описаниям, вкусный продукт, обогащенный витаминами и содержащий в шесть-семь раз больше белка (до 70%), к тому же лучшего по питательным свойствам, чем белок злаков. По-моему, главная причина того, что такие лепешки (например, темпех из сои, ферментированной грибком Rhizopus oligosporous ) покупают только вегетарианцы, - консерватизм потребителей.
В семидесятых годах ХХ века британское министерство сельского хозяйства после тщательных испытаний питательной ценности и безвредности дало разрешение на продажу микопротеина - выращенного на искусственной среде мицелия (попросту говоря, волокон плесени) мутантного штамма известного фитопатогена - грибка Fusarium graminearum . По виду и структуре прессован ный мицелий напоминал крабовые палочки (их, как известно, делают из филе дешевой рыбы и бульона от крабовых консервов), по вкусу - что-то идентичное натуральному, а по питательной ценности во всех отношениях был лучше мяса. В мясе в пересчете на сухой вес содержится около 60% белков и 40% жира; в микопротеине - 50% белков, 15% жиров (более полезных, чем говяжий жир), 10% углеводов и 25% полезных для здоровья пищевых волокон. Полуфабрикаты блюд на основе грибного белка в Англии и США при желании можно купить, но их производители рекламируют в основном отсутствие в продукте мяса и намекают на то, что все грибы, включая трюфели, - родственники.
С точки зрения эффективности синтеза белка ни одно сельскохозяйственное животное и в подметки не годится микроорганизмам. Для простоты сравнения сведем в таблицу всего два показателя: общую биомассу (без рогов и копыт, но с костями и хрящами, которых у микробов нет) и выход чистого белка на один килограмм корма.
Обратите внимание: из килограмма углеводов в составе питательной смеси фузариум синтезирует больше килограмма биомассы! Закон сохранения вещества при этом не нарушается. Это не сухой вес, а общий - и у плесени и у коровы это в основном вода. Но по чистому белку на килограмм корма грибок обгоняет животных в разы. В качестве дополнительного источника азота для синтеза аминокислот через питательную среду пропускают газообразный аммиак или добавляют мочевину и другие азотсодержащие вещества.
Если вы забыли школьный курс химии и слово "мочевина" вызывает у вас неприятные ассоциации, внимательно послушайте рекламу жевательной резинки с ксилитом и карбамидом. Карбамидом - "углеазотом" - на иностранный манер и в соответствии с международной химической номенклатурой называют выделенное когда-то из мочи животных вещество с неноменклатурным русским названием "мочевина". В качестве удобрения для растений ее под этим названием и продают привычным к навозу и компосту крестьянам и дачникам. Для человека мочевина в тех количествах, в которых она содержится в жвачке, безопасна, а для микробов (в больших количествах) может служить полноценным сырьем для синтеза белка.
МИКРОБЫ НАКОРМЯТ МИР?
Выращивать белки в биореакторе выгоднее, чем в стойле, и по многим другим причинам, кроме эффективности использования кормов. Самый скороспелый бройлер удваивает свою биомассу примерно за месяц и от пятидесятиграммового цыпленка до килограммовой куриной тушки вырастает за полгода. Микроорганизмы при благоприятных условиях удваивают биомассу за несколько часов, а то и быстрее, то есть по скорости производства белка микробы в сотни раз эффективнее, чем животные.
Бактерии или мицелий грибов, в отличие от водорослей, приходится выращивать не в прудах, а в ферментерах. Но микробы куда менее требовательны к условиям содержания, чем клетки животных и тем более их ткани. Прокормить микробов намного дешевле, чем свиней или кур. На любом заводе по переработке сельхозпродуктов отходы, содержащие массу углеводов, витаминов и микроэлементов, отдадут на дочернее или смежное производство БОО даром, да еще и скажут "спасибо" за то, что не надо возиться с их обезвреживанием. Правда, для выращивания микробов необходимо сложное оборудование, зато один квалифицированный оператор может заменить десятерых трактористов, пастухов и мясников.
Микробиологический заводик, занимающий площадь нескольких дачных участков, может каждые сутки производить из отходов традиционных производств десятки тонн вкусной, полезной и питательной биомассы. То же количество белка можно получить, если каждый день резать стадо коров или других меньших братьев. И, в отличие от животных, микробы не нуждаются в пастбищах и полях - значит, каждый завод по производству биомассы освобождает площадь для садов и лугов. А переработать на биогаз и удобрения отходы жизнедеятельности одних микроорганизмов можно в соседнем биореакторе с помощью других микроорганизмов. С навозом проблем намного больше.
Производство продуктов из микробной биомассы вполне может быть рентабельным - выгодно же делать из нее корм для скота. Еще несколько десятков лет экологические, демографические и экономические причины не заставят человечество переходить на фантастические продукты питания. А что будет лет через двадцать, если сохранятся сегодняшние темпы роста населения и продуктивности сельского хозяйства? Несомненно одно: если мир через несколько десятилетий станет более сытым и здоровым, то только благодаря все более широкому внедрению достижений биотехнологии.
Самый реалистичный источник увеличения продуктивности сельского хозяйства - трансгенные растения, прежде всего - устойчивые к болезням и вредителям, засолению, засухе, жаре, холоду и т.д. Во вторую очередь - с измененным составом питательных веществ и повышенной урожайностью. В 2004 году на Земле трансгенными растениями был засеян 81 млн га, более 6% мировой пашни. В основном это растения, устойчивые к насекомым-вредителям (общее количество насекомых на "трансгенных" полях больше, чем на обычных, протравленных инсектицидами) и к гербицидам (в результате чего общее количество "химии" на поле тоже снижается). Культуры с улучшенными потребительски ми свойствами ждут разрешения на внедрение. В 2003 году индийские биотехнологи закончили работу над сортом картошки с почти вдвое увеличенным содержанием белка (целых 3,5%). Дополнительное количество растительного белка позволило бы населению бедных стран меньше страдать от недоедания, но внедрение protato (protein + potato), риса с каротином (гиповитаминоз А - большая проблема в странах, где горсточка риса составляет основу рациона) и многих других трансгенных сортов растений все откладывается. Борьба политиканов, непримиримых "зеленых", производителей пестицидов и т.п. против ГМО, несмотря на доказанную и передоказанную компетентными правительственными организациями безопасность разрешенных к применению сортов, - отдельная и печальная история. Сейчас в опытных питомниках растет столько и такого, что одно перечисление названий и свойств этих растений заняло бы больше места, чем эта статья. Победа второй "зеленой революции" неизбежна, какие бы аргументы ни выдвигали противники трансгенных растений.
Трансгенные животные вот-вот выйдут из вивариев на поля и в стойла. Возможно, вначале практическое применение найдут животные, производящие в молоке белки для нужд медицины, а генетичес ки модифицированные мясные стада появятся позже. Они будут устойчивее к болезням, быстрее расти и т.д., потом изменятся их потребительские качества. Например, весной 2004 года ученые из Гарвардского университета создали линию мышей, в геном которых введен ген, позаимствованный у нематоды Caenorhabditis elegans , червя длиной в миллиметр. Кодируемый этим геном белок преобразует омега-6 жирные кислоты, которые синтезируют клетки млекопитающих, в омега-3 жирные кислоты, которые понижают давление, уменьшают вероятность сердечно-сосудистых заболеваний и давно известны как "витамин F" (от англ. fat - жир). Продолжение этих исследований позволит вывести породы домашних животных, мясо, молоко и яйца которых будут так же полезны для сердца, как рыба.
Перечислять названия и свойства перспективных трансгенных пород домашних животных тоже можно очень долго. Вопрос не в том, будут они разрешены к применению или нет, а в том, произойдет это через пять лет или через двадцать и насколько трудно будет убедить потребителей в безопасности генетически модифицированного мяса.
Микроорганизмы как источник пищевого сырья, в отличие от трансгенных растений и животных, вызывают у потребителей намного меньше опасений. Хлеб, сыр, вино, пиво с незапамятных времен делают с помощью микробов, и это никого не пугает. Производство микробного белка из углеводного сырья не представляет технических трудностей, в том числе и в России. Самое сложное - сформировать спрос на непривычный товар.
(Вопросы автору статьи - главному редактору интернет-журнала "Коммерческая биотехнология" можно задать на сайте www.cbio.ru - Ред.)
"Наука и жизнь" о биотехнологии:
Баев А. Индустрия ДНК: новый путь биотехнологии . - 1981, № 11.
Белоконева О. Медицинская биотехнология на пути к кабинету врача. - 2004, № 2.
Белоконева О. Технология XXI века в России. Быть или не быть? - 2001, № 1.
Глеба Ю. Еще раз о биотехнологии, но больше о том, как нам выйти в мир. - 2000, № 4.
Лебедев В. Миф о трансгенной угрозе. - №№ 11,2003г.. 12,2003г.
Медников Б. Власть над геном. - 1981, №№ 7-10.
Овчинников Ю. Биотехнология и ее место в научно-техническом прогрессе . - 1982, № 6.
Попов Л. Фантастический шницель. - 2000, № 4.
Попов Л. Стадо для чеддера. - 1999, № 8.
Соколов В. Будет ли следующая “зеленая революция”? - 2003, № 3.
№9, 2005 год
http://www.nkj.ru/archive/articles/1690/
РУКОТВОРНАЯ ЖИЗНЬ
А. ЧУБЕНКО, биолог (Санкт-Петербург).
Человек давно научился синтезировать сложнейшие молекулы, создавать новые материалы, оперировать отдельными атомами. Теперь ученые пытаются создать в лабораторных условиях живые организмы, пока что самые простые, а также их отдельные, но очень существенные "детали". Способ существования белковых тел
Синтез белков - дело нехитрое. В самом примитивном варианте для этого достаточно нагреть смесь сухих аминокислот до 150°С. Через несколько часов образуются цепочки полипептидов длиной до 250 аминокислотных остатков, часть из которых проявляет слабую ферментативную активность. В колбы желательно добавить глину: ее частицы адсорбируют аминокислоты и работают как катализатор. Чтобы получить таким способом примитивную живую клетку, необходимы сущие "пустяки" - несколько миллиардов колб и несколько миллиардов лет.
В 2004 году, примерно через четыре миллиарда лет после появления на Земле первых полинуклеотидных и полипептидных цепочек, их потомки из Медицинского института Ховарда Хьюза при Университете Вашингтона под руководством Дэвида Бейкера синтезировали первый рукотворный белок Top7. В отличие от природы, действующей методом проб и ошибок, ученые сначала смоделировали белок на компьютере, от последовательности аминокислот до трехмерной структуры молекулы, а затем чисто химическим путем, без генов и рибосом, синтезировали последовательность из нескольких десятков аминокислот.
Цепочка аминокислот - это только полуфабрикат. Свойства белков определяет не столько их химический состав, сколько трехмерная структура их молекул.
Чтобы воспроизвести процесс, с которым живая клетка справляется за считанные минуты, синтезируя тысячи, а то и десятки тысяч молекул одновременно, коллективу ученых потребовались годы. Только моделирование фолдинга - сворачивания молекулы белка в трехмерную структуру - на одном компьютере заняло бы около ста лет, и для расчетов использовали программу Folding@Home - один из крупнейших проектов распределенных вычислений: на момент окончания расчетов по Top7 в нем участвовало более полумиллиона компьютеров. Программа работает в фоновом режиме, практически не влияя на общую производительность процессора.
Если вы относитесь к числу счастливчиков, имеющих неограниченный доступ к Интернету, - присоединяйтесь. Число вакансий не ограничено. Методику авторы собираются использовать для исследования белков (в первую очередь - бета-амилоида, накопление которого происходит при болезни Альцгеймера) и для конструирования белков с заданными свойствами, необходимых медицине.