В культурах клеток растений целевой продукт может накапливаться в значительно больших количествах, чем в соответствующих интактных растениях.
В будущем при накоплении фундаментальных биохимических и генетических знаний можно будет увеличить выход желаемого продукта и эта отрасль биотехнологии сможет иметь большой коммерческий успех.
Одно из перспективных направлений в пищевой биотехнологии – обогащение хорошо известных пищевых продуктов белком и создание новых видов пищи, где важная роль отводится белковым добавкам на основе белка одноклеточных, прежде всего дрожжей, бактерий, грибов и водорослей. Как потенциальный источник белка наиболее полно изучены дрожжи. Высокомолекулярные белковые изоляты содержат не менее 80 % белка, не более 1 % липидов, 2 % нуклеиновых кислот и 5 % углеводов.
Белковые изоляты микробного происхождения можно добавлять в следующие продукты:
концентраты типа питательных кубиков, паст, таблеток и брикетов;
массового фабричного производства, например специальные сорта хлеба, хлебобулочные изделия и макаронные изделия, питательные напитки, молочные продукты;
изготовленные на предприятиях общественного питания, например из мясного фарша [42].
Введение микробного белка в эти продукты особой сложности не представляет, так как их просто замешивают вместе с традиционными компонентами и при наличии необходимых функциональных свойств добавок получают хорошие результаты.
Наибольший интерес представляет собой выработка искусственных мясопродуктов, имитирующих традиционные изделия из рубленого мяса или нерубленые мясопродукты волокнистой структуры. Для получения аналогов изделий из рубленого мяса в раствор или дисперсию белкового или полисахаридного структурообразователя вводят тонкоизмельченные пищевые вещества, например белок дрожжей, вкусовые и ароматические вещества, а также красители.
Для производства искусственных мясопродуктов волокнистой структуры обычно используют белковые волокна, полученные методом мокрого прядения растворов белка. Волокна затем склеивают пищевым связующим веществом, содержащим различные пищевые компоненты и красители.
Первые искусственные белковые волокна были изготовлены на основе казеина, сои, арахиса, но возможно и применение белка дрожжей. Такие исследования проводили у нас в стране, разработана технология [43].
Ценный источник пищевого белка – съедобные шляпочные грибы. Производство спорофоров и мицелия базируется на двух совершенно различных технологиях. Шляпочные грибы выращивают в питомниках, а мицелий вырабатывают промышленным способом ферментации.
Шляпочные грибы используют непосредственно как пищевой продукт или вкусовую приправу к различным блюдам. В последнем случае приемлемы мицелиальные формы грибов. Мировое производство съедобных грибов в промышленных условиях составляет сейчас 1,2-1,3 млн т в год, в основном базидиальных грибов, при этом на долю шампиньонов приходится примерно 70-75 %.
Пищевая промышленность – один из главных потребителей аминокислот. В наибольшем количестве выпускают L-глутаминовую кислоту, применяемую в качестве вкусового и консервирующего агента в пищевой промышленности. Натриевая соль глутаминовой кислоты – эффективный усилитель вкуса, и ее используют при изготовлении мясных и овощных блюд, добавляют во все продукты при консервировании, замораживании и длительном хранении. Многие аминокислоты обладают оригинальным вкусом и участвуют в образовании вкусовых особенностей тех или иных пищевых продуктов.
Отбор высокопродуктивных бактериальных штаммов и создание совершенных процессов ферментации обеспечили Японии лидирующее положение в этой области, она обладает патентами, описывающими производство 20 аминокислот с помощью микробной ферментации. В последние годы в Японии для обогащения пищевых продуктов начали применять лизин [39-42].
Недостаток лизина в пище особенно отрицательно сказывается на здоровье детей, при введении его вместе с треонином в пищу повышаются умственные способности. В результате добавления лизина улучшается внешний вид пищевых продуктов, увеличивается их водоудерживающая способность, устраняются неприятные запахи консервированной рыбы, улучшаются процесс брожения и физические свойства теста и хлеба.
В США несколько крупных фирм в качестве компонента белковых диетических продуктов используют триптофан. Во Франции запатентован заменитель сахара, получаемый на основе D-триптофана. Аминокислотный подсластитель аспартам, получаемый из фенилаланина и аспарагиновой кислоты, в 900 раз слаще сахара и не имеет горького привкуса, свойственного сахарину. При замене сахара аспартамом на 95 % снижается калорийность ряда пищевых продуктов без изменения вкусовых качеств (например, жевательной резинки, конфет и напитков). Широко используют в пищевой промышленности цистеин: для улучшения качества хлебобулочных изделий, в качестве имитатора вкуса и аромата мяса, для усиления действия антиоксидантов и консервантов, замедления аутоокисления жиров.
Свойствами антиокислителей обладают также метионин, лизин, триптофан, аргинин, аспарагин, норлейцин и глицин.
При температуре 100-200 °С и сильно щелочной реакции среды глицин, аланин, лизин, орнитин, аргинин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты взаимодействуют с глюкозой и другими сахарами и образуют прекрасные пищевые красители, которые обладают антиокислительным действием и ингибируют действие липоксидазы.
В нашей стране для пищевой промышленности разработаны технологические процессы получения с помощью микроорганизмов лизина, глутаминовой кислоты и треонина.
В пищевой промышленности микробные ферменты все активнее применяют вместо растительных и животных ферментов. Так, микробные амилазы заменили аналогичные ферменты из пшеничного и ячменного солода в спиртовом и пивоваренном производстве, хлебопечении и производстве сухого печенья; микробные протеазы – животные и растительные протеазы, употребляемые для размягчения мяса: микробный ренин заменил сычужный фермент из желудка телят в сыроварении. В консервной промышленности при использовании микробных ферментных препаратов увеличивается выход сока, особенно из ягод с большим содержанием пектина, повышается стойкость против инфицирования и удлиняется срок хранения продукции. В виноградном и плодово-ягодном виноделии благодаря ферментным препаратам можно получать новые марки вин, а также повысить качество традиционных. С помощью ферментных препаратов также возможно увеличить стойкость к белковым помутнениям пива и вин.
Около 20 % населения нашей страны страдает не усвоением лактозы, поэтому актуальным является получение молочных продуктов, в которых лактоза ферментативно гидролизована в глюкозу и галактозу. Перспективно и производство различных пищевых продуктов из компонентов молочной сыворотки, которую во всем мире в основном (48-88 %) направляют на корм скоту. Путем фракционирования молочной сыворотки и непрерывного гидролиза лактозы можно эффективно использовать ее в пищевой промышленности.
Тенденции развития биотехнологических методов на примере одной из перерабатывающих отраслей – мясной промышленности – показывают, насколько широкие возможности распространения их практически на все этапы технологического процесса возникают, начиная с ферментативной обработки сырья до очистки сточных вод, включая процессы получения новых видов мясных продуктов общего, специального и лечебного назначения, пищевых и кормовых гидролизатов, синтеза ароматизаторов, красителей, биологически активных веществ, а в будущем – белков для питания человека.
Большие перспективы использования методов биотехнологии открываются для стимулирования процесса созревания мяса, способов осветления крови, обезволашивания и обработки шкур, удаления с костей мясной ткани, остающейся после обвалки.
Биотехнологическим методам отводится значительная роль и в переработке побочного сырья мясной промышленности в полноценные продукты питания. Перспективно также направление технологий продуктов лечебного и профилактического питания, которое можно выделить в самостоятельную отрасль пищевой биотехнологии.
Поскольку слияние принципов пищевой биотехнологии и фармакологии является на сегодняшний день свершившимся фактом, во всем мире большое внимание уделяется проблеме изучения лекарственных свойств пищевых ингредиентов и отдаленных последствий их воздействия на организм человека.
В современной экологической обстановке возрастает роль профилактического питания, направленного на укрепление защитных систем организма, снижение риска воздействия вредных веществ.
Уже сегодня с определенной степенью достоверности посредством рационального использования пищевых ингредиентов, в том числе растительного происхождения, можно улучшить обменные процессы и нормализовать метаболизм тканей. В связи с этим предметом исследований будут медико-биологические аспекты, а именно: выявление механизма действия и обобщение основных нарушений метаболизма, изучение иммунитета и гормонального гомеостаза организма человека, характеризующих различные патологии при антисклеротическом, антиканцерогенном и радиопротекторном действии в процессе диетической коррекции растительными пищевыми компонентами.
Значительный интерес для использования в отраслях пищевой промышленности, медицине, ветеринарии имеют биологически активные полимерные материалы (БАМ), представляющие собой комплексную систему (пленки, волокна, гранулы и др.), состоящую из полимерной матрицы и связанного с ней биологически активного соединения, и обладающие уникальными свойствами.
При получении БАМ в качестве полимерной основы используют синтетические и природные высокомолекулярные соединения, наиболее перспективным носителем которых является поливиниловый спирт (ПВС), что обусловлено наличием большого числа реакционно-способных групп, гидрофильностью, жиростойкостью, высокими прочностными характеристиками пленок на его основе [44].
Применение активных пленочных материалов на основе ПВС и различных классов биологически активных соединений – ферментов животного и микробного происхождения, антибиотиков, консервантов, бактерицидных красителей – открывает широкие перспективы создания нового поколения упаковочных многофункциональных материалов с уникальным комплексом защитных свойств (бактерицидность, протеолитическая активность, широкий спектр барьерных свойств, жиростойкость, высокие прочностные показатели), что позволяет обеспечить сохранение пищевой ценности и длительную защиту пищевых продуктов от окислительной и микробиальной порчи, токсических и других агрессивных факторов внешней среды.
В Японии около 95 компаний разработали планы выпуска продуктов, полученных с помощью микробного синтеза. Среди новых продуктов 23 % должны найти применение в пищевой или химической промышленности.
В США биотехнологические пищевые продукты составляют 0,3 % от всей пищевой продукции, стоимость их около 500 млн дол., из них половину составляют ферментированные продукты пищевой промышленности.
Во Франции пищевая промышленность и сельское хозяйство производят с помощью биотехнологических методов зерновые культуры, аминокислоты, органические кислоты, ферменты на сумму свыше 2,5 млрд евро в год.
Новейшие исследования, проводимые в высокоразвитых странах в области биотехнологии для пищевой промышленности, посвящены:
разработке акустических биосенсоров для обнаружения некачественных пищевых продуктов;
идентификации и оценке противомикробных систем как нового средства повышения степени безопасности и улучшения качества пищи;
разработке сенсоров для улучшения контроля за чистотой процессов приготовления пищевых продуктов в герметично закрытом оборудовании.
Исходя из экономической значимости биотехнологии и сегодня, и в перспективе правительства почти всех стран мира утвердили национальные программы по развитию биотехнологии и, в первую очередь, биоинженерии, и обеспечили высокий уровень их государственной поддержки и, прежде всего бюджетного финансирования.
Из вышеизложенного следует, что все европейские страны и Россия в достаточной мере оценили значение биотехнологии, бурное развитие и применение которой зависит от финансовых возможностей государства.
1. Перечислите новые направления биотехнологии.
2. Каковы перспективы биотехнологии в пищевой промышленности?
3. Перечислите, какие аминокислоты можно получить благодаря биотехнологическим процессам.
4. Как используются биологически активные полимерные материалы?
5. В чем заключаются перспективы микробного синтеза?
Генная инженерия – совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы.
Генетическая инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии, использующим методы таких биологических наук, как молекулярная и клеточная биология, цитология, генетика, микробиология, вирусология.
Генная инженерия служит для получения желаемых качеств изменяемого или генетически модифицированного организма. В отличие от традиционной селекции, в ходе которой генотип подвергается изменениям лишь косвенно, генная инженерия позволяет непосредственно вмешиваться в генетический аппарат, применяя технику молекулярного клонирования. Примерами применения генной инженерии является: получение новых генетически модифицированных сортов зерновых культур, производство человеческого инсулина путём использования генномодифицированных бактерий, новых пород экспериментальных мышей для научных исследований.
Основой микробиологической, биосинтетической промышленности является бактериальная клетка. Необходимые для промышленного производства клетки подбираются по определённым признакам, самый главный из которых – способность производить, синтезировать в максимально возможных количествах определённое соединение – аминокислоту или антибиотик, стероидный гормон или органическую кислоту. Иногда надо иметь микроорганизм, способный, например, использовать в качестве «пищи» нефть или сточные воды и перерабатывать их в биомассу или даже вполне пригодный для кормовых добавок белок. Иногда нужны организмы, способные развиваться при повышенных температурах или в присутствии веществ, безусловно смертельных для других видов микроорганизмов.
Задача получения таких промышленных штаммов очень важна, для их видоизменения и отбора разработаны многочисленные приёмы активного воздействия на клетку – от обработки сильнодействующими ядами, до радиоактивного облучения. Цель этих приёмов одна – добиться изменения наследственного, генетического аппарата клетки. Их результат – получение многочисленных микробов-мутантов, из сотен и тысяч которых учёные потом стараются отобрать наиболее подходящие для той или иной цели. Создание приёмов химического или радиационного мутагенеза было выдающимся достижением биологии и широко применяется в современной биотехнологии.
Но их возможности ограничиваются природой самих микроорганизмов. Они не способны синтезировать ряд ценных веществ, которые накапливаются в растениях, прежде всего в лекарственных и эфирномасличных. Не могут синтезировать вещества, очень важные для жизнедеятельности животных и человека, ряд ферментов, пептидные гормоны, иммунные белки, интерфероны да и многие более просто устроенные соединения, которые синтезируются в организмах животных и человека. Разумеется, возможности микроорганизмов далеко не исчерпаны. Из всего изобилия микроорганизмов использована наукой, и особенно промышленностью, лишь ничтожная доля. Для целей селекции микроорганизмов большой интерес представляют, например, бактерии анаэробы, способные жить в отсутствие кислорода, фототрофы, использующие энергию света подобно растениям, хемоавтотрофы, термофильные бактерии, способные жить при температуре, как обнаружилось недавно, около 110 °C, и др.
И всё же ограниченность «природного материала» очевидна. Обойти ограничения пытались и пытаются с помощью культур клеток и тканей растений и животных. Это очень важный и перспективный путь, который также реализуется в биотехнологии. За последние несколько десятилетий учёные создали методы, благодаря которым отдельные клетки тканей растения или животного можно заставить расти и размножаться отдельно от организма, как клетки бактерий. Это было важное достижение - полученные культуры клеток используют для экспериментов и для промышленного получения некоторых веществ, которые с помощью бактериальных культур получить невозможно [45].
История развития и достигнутый уровень технологии. Во второй половине XX века было сделано несколько важных открытий и изобретений, лежащих в основе генной инженерии. Успешно завершились многолетние попытки «прочитать» ту биологическую информацию, которая «записана» в генах. Эта работа была начата английским учёным Ф. Сенгером и американским учёным У. Гилбертом (Нобелевская премия по химии 1980 г.). Как известно, в генах содержится информация-инструкция для синтеза в организме молекул РНК и белков, в том числе ферментов. Чтобы заставить клетку синтезировать новые, необычные для неё вещества, надо, чтобы в ней синтезировались соответствующие наборы ферментов. А для этого необходимо или целенаправленно изменить находящиеся в ней гены, или ввести в неё новые, ранее отсутствовавшие гены. Изменения генов в живых клетках - это мутации. Они происходят под действием, например, мутагенов – химических ядов или излучений. Но такие изменения нельзя контролировать или направлять. Поэтому учёные сосредоточили усилия на попытках разработать методы введения в клетку новых, совершенно определённых генов, нужных человеку.
Основные этапы решения генно-инженерной задачи следующие:
1. Получение изолированного гена.
2. Введение гена в вектор для переноса в организм.
3. Перенос вектора с геном в модифицируемый организм.
4. Преобразование клеток организма.
5. Отбор генетически модифицированных организмов (ГМО) и устранение тех, которые не были успешно модифицированы.
Процесс синтеза генов в настоящее время разработан очень хорошо и даже в значительной степени автоматизирован. Существуют специальные аппараты, снабжённые ЭВМ, в памяти которых закладывают программы синтеза различных нуклеотидных последовательностей. Такой аппарат синтезирует отрезки ДНК длиной до 100-120 азотистых оснований (олигонуклеотиды). Получила распространение техника, позволяющая использовать для синтеза ДНК, в том числе мутантной, полимеразную цепную реакцию. Термостабильный фермент, ДНК-полимераза, используется в ней для матричного синтеза ДНК, в качестве затравки которого применяют искусственно синтезированные кусочки нуклеиновой кислоты – олигонуклеотиды. Фермент обратная транскриптаза позволяет с использованием таких затравок (праймеров) синтезировать ДНК на матрице выделенной из клеток РНК. Синтезированная таким способом ДНК называется комплементарной (РНК) или кДНК. Изолированный, «химически чистый» ген может быть также получен из фаговой библиотеки. Так называется препарат бактериофага, в геном которого встроены случайные фрагменты из генома или кДНК, воспроизводимые фагом вместе со всей своей ДНК.
Чтобы встроить ген в вектор, используют ферменты – рестриктазы и лигазы, также являющиеся полезным инструментом генной инженерии. С помощью рестриктаз ген и вектор можно разрезать на кусочки. С помощью лигаз такие кусочки можно «склеивать», соединять в иной комбинации, конструируя новый ген или заключая его в вектор. За открытие рестриктаз Вернер Арбер, Даниел Натанс и Хамилтон Смит также были удостоены Нобелевской премии (1978 г.).
Техника введения генов в бактерии была разработана после того, как Фредерик Гриффит открыл явление бактериальной трансформации. В основе этого явления лежит примитивный половой процесс, который у бактерий сопровождается обменом небольшими фрагментами нехромосомной ДНК, плазмидами. Плазмидные технологии легли в основу введения искусственных генов в бактериальные клетки.
Значительные трудности были связаны с введением готового гена в наследственный аппарат клеток растений и животных. Однако в природе наблюдаются случаи, когда чужеродная ДНК (вируса или бактериофага) включается в генетический аппарат клетки и с помощью её обменных механизмов начинает синтезировать «свой» белок. Учёные исследовали особенности внедрения чужеродной ДНК и использовали как принцип введения генетического материала в клетку. Такой процесс получил название трансфекция.
Если модификации подвергаются одноклеточные организмы или культуры клеток многоклеточных, то на этом этапе начинается клонирование, то есть отбор тех организмов и их потомков (клонов), которые подверглись модификации. Когда же поставлена задача получить многоклеточные организмы, то клетки с изменённым генотипом используют для вегетативного размножения растений или вводят в бластоцисты суррогатной матери, когда речь идёт о животных. В результате рождаются детеныши с изменённым или неизменным генотипом, среди которых отбирают и скрещивают между собой только те, которые проявляют ожидаемые изменения.