От пекарни до биофабрики. Обзор достижений биотехнологии -  Реннеберг Рейнхард - Страница 10

Последовавшие вслед за тем случаи излечения от бактериальных инфекций граничили с чудом. Но производство пенициллина всё ещё оставалось слишком сложным и дорогим. Для того чтобы излечить только одного пациента, требовалось получить и переработать около 1000 л «грибного бульона»! В связи с этим надлежало решить три проблемы: найти вид кистевидной плесени с наиболее высокой продуктивностью пенициллина, научиться культивировать её в огромных количествах и, наконец, разработать способ получения пенициллина из питательного раствора в чистом виде.

Биотехнологи в поисках гриба

Мировая наука кинула все силы на исследование плесневых грибов. Надо было найти культуру, которая вырабатывала бы пенициллин в больших количествах, чем гриб Флеминга. С этой целью на питательных средах выращивались различные виды плесневых грибов и определялась их способность к пенициллинообразованию.

Флори нашёл действенную поддержку в США (лаборатория в г. Пеории). Работа шла полным ходом, но вплоть до 1943 г. никак не удавалось найти более активный продуцент пенициллина. Одной молодой сотруднице лаборатории было вменено в обязанность регулярно ходить на овощной рынок и покупать все заплесневелые продукты, какие только она там найдёт. Поэтому коллеги в шутку называли свою «добытчицу» «плесневая Мария». Однажды «плесневая Мария» пришла в лабораторию с гнилой дыней, на которой рос плесневый гриб вида Penicillium chrysogenus, и этот гриб оказался великолепным продуцентом! Ещё и сегодня большинство видов кистевидных плесеней, используемых для производства пенициллина, ведут своё происхождение от этой гнилой дыни из Пеории. Гриб стали культивировать и, подобно тому, как это происходит при разведении животных и растений, каждый раз для дальнейшего воспроизведения отбирались плесневые грибы с наибольшей продуктивностью. Таким образом, через ряд генераций были получены высокопродуктивные штаммы.

Некоторые плесневые грибы вырабатывают много, другие мало пенициллина, на этой питательной среде одни растут хорошо, а другие плохо. Разумеется, у микробов это вовсе не «леность» или «трудолюбие»; такое поведение имеет наследственную основу, то есть свойство «заложено» в данном организме. Каким образом возникают различия в наследственных свойствах? В природе постоянно происходят незначительные изменения, так называемые мутации (от лат. mutaze — изменяться), в наследственном материале. Разумеется, мутации очень редки: из одного миллиона микробов, вероятно, лишь один-единственный в своём наследственном аппарате содержит изменённый наследственный фактор (ген[12]), то есть по всем своим другим свойствам этот микроорганизм почти не отличается от остальных 999 999, различия имеются только малые. Между тем мутация, возможно, будет причиной того, что этот микроорганизм окажется лучше остальных приспособленным к данной среде, вследствие чего он будет быстрее размножаться и передаст новое свойство своим многочисленным потомкам; благодаря этому мутант «берет верх» над своими конкурентами по питанию. Если же новое свойство, напротив, невыгодно, то такой микроб размножается менее интенсивно, либо вообще отмирает. Подобные процессы в течение миллионов лет обусловливали эволюцию всех живых существ на Земле. А теперь селекционеры микроорганизмов «разыгрывают» как бы «эволюцию в пробирке», предлагая микробам, например, совершенно новые жизненные условия и культивируя выборочно наиболее приспособившихся микробов. Этим они пытаются искусственно ускорить селекцию, то есть быстрее получить мутантов.

Уже в двадцатых годах нашего столетия ученые установили, что можно искусственно изменять наследственный материал. Так, воздействие рентгеновских лучей и определённых химических соединений приводит к увеличению числа мутаций в клетках. В этих случаях одна изменённая клетка (мутант) приходится уже на 999 неизменённых.

Но вернёмся к кистевидным плесеням. «Дынный» гриб «плесневой Марии» не менее 20 раз облучался рентгеновскими лучами, что сочеталось также с обработкой различными химическими реактивами; из каждой порции, прошедшей ту или иную обработку, отбирали наилучших пенициллинообразователей. И вот получен теперешний высокопродуктивный штамм, он очень сильно отличается от своего родоначальника, который попал в руки учёных в начале сороковых годов; в среднем 50 г пенициллина на 1 л питательного раствора — такова его производительность. Это в 1000 раз больше «выработки» гриба, росшего на той первой гнилой дыне, и в 10 000 раз больше при сравнении с продукцией гриба Флеминга!

Микробы, сильно различающиеся по своим свойствам, но относящиеся к одному виду, принято называть штаммами. Высокопродуктивные штаммы по большей части так чувствительны и так «избалованы» биотехнологами, что они просто не в состоянии выжить в нормальных природных условиях (как и многие из наших домашних животных). И в этом нет ничего удивительного. Ведь самому-то плесневому грибу — суперпроизводителю его необыкновенная способность производить в 1000 раз большее количество пенициллина по сравнению с его диким предком не приносит никакой пользы, это не его решение в борьбе за жизнь. Он принуждается к «сверхпроизводительности» человеком, который изменяет его наследственную природу и условия существования. Поэтому только в искусственно созданных условиях, при «комфортных» температурах, с избытком предпочитаемого питания, оберегаемое от природных конкурентов и врагов, это крохотное «новейшее домашнее животное» ещё способно существовать и служить производителем.

«Меню» микроорганизмов

Кистевидные плесени, подобно многим микробам, растут лучше всего на сахарных растворах. Те микробы, которые, подобно растениям, содержат хлорофилл[13], например одноклеточные водоросли, могут даже сами с помощью солнечного света производить требуемый сахар из воды и углекислого газа.

Когда во время второй мировой войны было начато культивирование плесневых грибов, то вначале применяли питательные растворы, содержащие виноградный сахар (глюкозу) и минеральные соли. Грибы потребляли сахар и быстро росли. Но почему-то они вырабатывали очень немного пенициллина. Идеальный питательный раствор, который был дёшев и в то же время оптимален для производства пенициллина был найден в пеорийской лаборатории, можно сказать, случайно. Это был жидкий кукурузный экстракт.

Лаборатория в Пеории была, собственно говоря, основана для того, чтобы найти способ утилизации этой жидкости, которая в огромных количествах образуется при производстве крахмала как побочный продукт. Кукурузный экстракт — это раствор крахмала, сахара и различных минеральных веществ. Выращиваемые на жидком кукурузном экстракте плесневые грибы стали сразу же поставлять в 25 раз больше пенициллина, чем на среде с виноградным сахаром!

Для каждого микробного вида необходимо изыскивать подходящую смесь питательных веществ подобно тому, как это было сделано для кистевидной плесени; кроме того, эта смесь должна быть недорогой. Вообще микробам можно «скармливать» любые сахаросодержащие отходы, например некоторые побочные продукты, получаемые при первичной переработке сельскохозяйственной продукции, или сточные воды целлюлозно-бумажных комбинатов. Известны микроорганизмы, утилизирующие даже твёрдые остатки от перегонки нефти и отходы пластмасс. Благодаря такой способности микроорганизмов можно использовать вещества, которые в противном случае попадают в сточные воды или другим путём отравляют окружающую среду.

И вот путём тщательной селекционной работы получены «высокопродуктивные штаммы микробов» для производства определённого вещества, например пенициллина; подобрана также оптимальная питательная среда. Однако надо ещё разработать технологическую схему крупномасштабного производства, то есть определить все условия и предложить подходящую аппаратуру.