Биотехнология: что это такое?

Людям — на благо

Гантели в груше

Почти четверть века назад в Отчетном докладе ЦК КПСС XXIII съезду партии прозвучали слова определившие становление и развитие индустрии, успех которой во многом определяет сегодня интенсификацию отечественного животноводства. «Признано целесообразным создать новую отрасль — микробиологическую промышленность и дать ей соответствующее развитие». Для руководства этой отраслью при Совете Министров СССР было создано Главное управление микробиологической промышленности, известное в стране и за ее пределами как Главмикробиопром. Спустя почти три года октябрьский (1968 года) Пленум ЦК КПСС признал необходимым стимулирование новой индустрии, призванной «...в достатке обеспечивать покрытие потребностей животноводства в кормовых белках, антибиотиках и других продуктах микробиологического синтеза». А еще через пять лет — в 1973 году — в СССР приступил к работе первый в мире завод кормовых дрожжей годовой мощностью в 70000 тонн. В качестве сырья на нем были использованы очищенные парафины, полученные из нефти.

Но значит ли это, что до создания Главного управления (основного поставщика животноводству кормового белка) производство кормовых дрожжей у нас не существовало вообще? Нет, не значит. Кормовые дрожжи выпускались отечественной гидролизной промышленностью еще с середины 30-х годов, а в качестве исходного сырья здесь с успехом использовали солому, кукурузные кочерыжки, опилки и другие отходы лесоперерабатывающей индустрии и сельскохозяйственного производства. Однако это были небольшие по мощности предприятия, а подвоз к ним сырья, как правило, оказывался затрудненным. Так что вновь созданная отрасль не могла вместиться в прокрустово ложе существующих мощностей. Для решения поставленных перед ней задач требовался иной размах, качественно иное научное и производственное обеспечение, гарантировать которое, с одной стороны, мог только сплав традиционных областей науки и практики (технической микробиологии и прикладной биохимии), а с другой — последние достижения физико-химической биологии (в том числе и генетической инженерии). Между этими двумя, на первый взгляд никак не стыкующимися, направлениями всегда существовала глубинная взаимообогащающая связь, получившая в последнее время особо плодотворное развитие, результатом которого стало создание в стране крупномасштабного промышленного производства кормовых дрожжей. Конечный результат такого производства — чистая дрожжевая масса, больше известная под названием белково-витаминного концентрата (БВК), широко используемого в животноводстве для обогащения растительных кормов белками и витаминами.

БВК — мощнейшие стимуляторы интенсификации этой отрасли. Потребность в них столь огромна, что выпускаемые сегодня микробиологической индустрией более миллиона тонн в год кормовых дрожжей не могут погасить их острого дефицита. Животноводству страны необходимы гораздо большие их количества.

Заинтересованность сельского хозяйства в данной продукции микробиологических предприятий объяснить нетрудно. Ведь ее широкое применение решает сразу несколько проблем, поставленных перед Агропромом самой жизнью. БВК, во-первых, сокращает расход зерна на фуражные нужды, а это само по себе уже весомый вклад в выполнение Продовольственной программы. Во-вторых, использование кормовых дрожжей значительно улучшает усвоение белка и других питательных веществ основного корма животными, гарантируя, в-третьих, стабильно высокие их привесы. В свиноводстве, например, введение в основной рацион тонны кормовых дрожжей сберегает до семи тонн зерна, дает дополнительно от 400 до 600 килограммов мяса, в птицеводстве результативность использования БВК и того выше — до 1500 килограммов мяса или 30000 штук яиц. Более того, существующая практика утверждает, что применение БВК на откорме почти вдвое увеличивает ежесуточные привесы скота.

Внушительные цифры, верно? Но не менее внушительны и потери, которые несет народное хозяйство из-за отсутствия кормовых дрожжей в нужных количествах. В нашей стране, например, нарушение кормового баланса ежегодно приводит к перерасходу 20—30 миллионов тонн зерна.

Приходилось ли вам задумываться над таким довольно странным фактом: почему при наличии во всех видах хозяйств (в том числе и личных) 120 миллионов крупного рогатого скота (из них более 42 миллионов коров), почти 80 миллионов свиней, около 150 миллионов овец и коз, свыше миллиарда разной птицы мы все еще не в состоянии решить проблему обеспечения населения страны мясом? Это при том, что и по количеству скота и птицы, приходящегося на душу населения, мы опять же — безусловные лидеры среди многих ведущих стран мира. По крайней мере, США и страны Европейского экономического сообщества (ЕЭС) значительно нам в том уступают. Судите сами: на каждого жителя СССР приходится 0,54 условной головы животных, в США — 0,53, а в странах ЕЭС — 0,37.

Корова, жующая траву

Так почему же, обладая таким колоссальным количеством скота, мы существенно отстаем в производстве и потреблении мяса от тех стран, где это поголовье меньше? Да потому, что отечественное животноводство все еще не перешло на интенсивный путь развития, предусматривающий не столько количественное наращивание поголовья, сколько повышение результативности уже существующего. «Недавно мы проанализировали динамику изменения поголовья и продуктивности животноводства по стране, — рассказывает на страницах журнала «Химия и жизнь» академик ВАСХНИЛ Л. К. Эрнст. — В одной большой группе республик и областей за последние три года стадо коров сократилось на 2,3%, а это ни много ни мало 470 тыс. голов. При этом производство молока увеличилось на 5,11 млн. т в год (11,9%), а расход кормов — на 7,4 млн. т кормовых единиц (11,7%). Посмотрим другую группу, где стадо не уменьшилось, а возросло на 930 тыс. коров (4%). Здесь тоже налицо прибавка молока, но она существенно меньше — всего 3,93 млн. т (8,6%) при опережающем росте расхода кормов (9,1%).

Так что же выгоднее — наращивать поголовье или более эффективно использовать имеющиеся средства производства? Ответ очевиден: второй путь выгоднее. Впрочем, для специалистов-зоотехников это никакое не откровение. Давно известно, что в хозяйствах интенсивного типа умело применяют два рычага: увеличивают производство кормов и регулируют поголовье так, чтобы все животные были как следует накормлены, то есть получали полные, научно обоснованные рационы.

Вот и произнесены ключевые слова: хозяйства интенсивного типа, интенсивный путь развития отрасли, интенсификация!

Не подумайте, что я ратую за снижение поголовья. Отнюдь нет. Наши стада — наше богатство. Но богатство надо использовать с наибольшей отдачей. А потому надо улучшать, совершенствовать орудия производства отрасли, то есть совершенствовать животных. Совершенствование животных — база интенсификации. Первооснова здесь — повышение генетического потенциала коров, свиней, овец, кур. Без этого самые современные методы хозяйствования, самое умелое управление, полная механизация и автоматизация — все впустую, все усилия летят в тартарары...»

Не согласиться с подобным утверждением трудно. Но и усилия генетиков, как хорошо известно всем, могут быть сведены на нет, или, как выразился академик Л. К. Эрнст, «полететь в тартарары», если генетический потенциал чистопородного стада не окажется практически реализованным. Главное же условие такой реализации — решение кормовой проблемы, ибо каждый крестьянин чуть ли не с пеленок знает: у коровы молоко — на языке. Другими словами, хорошо накормишь животное — будет молоко, нет — не обессудь, надоев не жди. Чем высокопороднее, продуктивнее животное, тем оно требовательнее к корму.

Но каким именно должен быть корм, чтобы добиться наивысшей продуктивности в животноводстве? Ответ на этот вопрос тоже не представляет секрета ни для науки, ни для практики: он должен быть высокобелковым, хорошо сбалансированным по составу аминокислот и витаминов, биологически активных веществ. Сколь ни мудреным кажется непосвященному в сельскохозяйственные проблемы человеку это непременное условие благоденствия животноводства, разобраться в сути вопроса не столь уж сложно, если предварительно вернуться к некоторым «секретам» тех же микроорганизмов.

Трава, растущая на языке коровы

Дело в том, что при всей схожести жизненно важных процессов, осуществляемых в клетках растений, животных и человека, их белки существенно отличаются друг от друга. Сегодня науке достоверно известно: в мире нет двух идентичных по белкам организмов, хотя все белки комплектуются приблизительно из двух десятков различных видов аминокислот, а нуклеиновые кислоты — из четырех типов нуклеотидов. Но вот парадокс: белки разных организмов отличаются друг от друга, а «кирпичи», их составляющие, одинаковы по химическому составу. Поэтому-то многие несинтезируемые организмом человека и животных аминокислоты, в том числе лизин и треонин, вполне могут быть заменены аналогичными аминокислотами бактерий или дрожжей. А вся продукция, полученная с помощью микробиологического синтеза (витамины, ферменты, аминокислоты и т. д.), представляет собой своеобразные «строительные блоки», универсальные для всего сущего, с помощью которых можно компенсировать дефицит любого биологически активного вещества в любом организме.

Вот почему так нужен животноводству БВК, так остро нуждаются в нем и птицеводство, и предприятия по откорму крупного рогатого скота.

Но микроорганизмы, выращиваемые в гигантских масштабах на предприятиях микробиологической промышленности, обладают не только уникальным даром создавать аминокислотные блоки, пригодные для всех организмов. У них есть и другое, не менее ценное свойство: они в состоянии производить обмен готовыми блоками ДНК не только между организмами одного вида, но и разных видов, родов и даже семейств. Удивительные «фокусы» (научное название их — трансформация), что проделывают бактерии с собственной ДНК на протяжении жизненного цикла, и открыли столбовую дорогу методам генетической инженерии, а по существу — всей современной биотехнологии. На практике это происходит (разумеется, по весьма упрощенной схеме процесса) так: ДНК бактерии извлекают из организма и вводят в нее гены чужеродных клеток, насильственно изменяя таким образом генетическую память бактерии. Теперь, после возвращения в родную среду, ДНК запускает механизм наработки веществ, никогда не производимых прежде данным организмом, совершив при этом эволюционный прыжок через пропасти и горы, разделяющие виды, роды, семейства.

Что это дает народному хозяйству в целом, науке вообще и медицине, в частности, читателю еще предстоит узнать из последующих глав книги. Сейчас же вернемея к проблемам микробиологической индустрии. Что выиграла она от рассекречивания одной из самых сокровенных тайн природы?

Многое. Ибо получила уникальную возможность с помощью тех же методов генетической инженерии совершенствовать старые и создавать новые культурные штаммы бактерий. Последствия открывшихся возможностей переоценить нелегко. По крайней мере, доктор сельскохозяйственных наук С. И. Исаев и доктор философских наук А. И. Игнатьев считают именно так: «Культурные формы (имеются в виду штаммы микробов. — Авт.) — наиболее производительные «машины». Будущее не только в сельском хозяйстве, но и в промышленности за биопроизводством, то есть за использованием в производстве культурных форм жизни. Микробиологическая промышленность — лишь первая ласточка в преобразовании промышленности на биологических основах».

Пробирки и завод

Одним словом, перспективы открывались самые радужные, а успехи вдохновляли ученых на новый поиск. И вдруг... Гроза разразилась над основой основ микробиологической индустрии — производством микробных белков. Напомню, что сырьем для них служат жидкие парафины (на этой основе производятся БВК), продукты кислотного гидролиза древесины и отходов сельского хозяйства, а также природный газ, метиловый и этиловый спирты. С последними, кстати, ученые связывают особые надежды.

История создания в нашей стране способа получения БВК (торговое название — паприн) на жидких парафинах столь ярка и поучительна, что мы еще обязательно уделим ей внимание, пока же вернемся к событиям, вызвавшим волну протестов. Думаю, что из памяти моих читателей наверняка и поныне не стерлось то впечатление, которое произвели на общественность многочисленные публикации, а затем и не менее многочисленные телевизионные передачи, связанные с событиями на Киришском биохимическом заводе, производящем кормовые дрожжи. Суть событий заключалась в том, что в городе (при полном безветрии) вдруг вспыхнула массовая аллергия. Источником беды стал, по твердому убеждению киришан, вышеупомянутый завод, а в тяжелейших негативных последствиях этого внезапно разразившегося заболевания, опять же по мнению жителей, оказались повинны и работники завода, и ученые, разработавшие технологию производства БВК (еще за день до происшедших событий считавшуюся самой передовой в мире), предусматривающую в качестве питательной среды все тот же жидкий парафин и минеральные соли.

Более того, гроза разразилась и над самой биотехнологией, допускающей в принципе подобного рода «издержки», чреватые непредсказуемыми, а главное, вредоносными последствиями для людей. И пошло-поехало... Уже давно улеглись страсти в самих Киришах, уже исправлены действительно Оказавшиеся непредсказуемыми (ведь дело-то новое, а значит, до конца не познаны все его проявления) некоторые особенности воздействия БВК на органы дыхания человека, а телевидение и пресса, зачастую грубо искажая факты, все обсуждают данную проблему, требуя закрытия завода и пресечения дальнейшего развития самой биотехнологии как таковой.

Что же произошло в действительности? И как было важно, чтоб объективная оценка случившегося в Киришах прозвучала б во всеуслышание, а бесстрастность разбора происшедшего реабилитировала бы во мнении общественности биотехнологию — одно из приоритетных направлений научно-технического прогресса. Наконец шестого апреля прошлого, 1988, года в «Правде» появляется статья под необычным для партийной печати названием «На чем мы спотыкаемся, или О психологических порогах на пути технических новшеств».

Не пересказывая содержания всей статьи, позволю себе привести здесь с некоторыми сокращениями те ее фрагменты, которые, на мой взгляд, несут главную информацию о событиях в Киришах и о тенденциях формирования общественного мнения по поводу развития отечественной биотехнологии. Но сначала — объективная оценка, данная А. Покровским — автором статьи в «Правде», истинного состояния дел в микробиологическом производстве, выпускающем БВК:

«Итак, наука сумела с малопродуктивных в данном случае полей (речь перед этим шла об удовлетворении нужд животноводства с помощью белка растительного происхождения. — Авт.) перенести получение дефицитного природного продукта в заводские цехи. Да еще использовать для этого совсем не имеющие кормовой ценности нефтепродукты. Для строительства завода по производству 120 тысяч тонн в год паприна необходимо около 60 гектаров непригодной для культурного земледелия земли. Чтобы получить такое же количество белка сои, нужно 150—200 тысяч гектаров гороха, бобов, фуражной пшеницы — и того больше... Сейчас в стране действует восемь заводов по производству паприна... Новые заводы позволили сбалансировать по белку 20 миллионов тонн комбикормов. Полностью потребности в сбалансированных кормах еще не покрыты, а производство паприна уже споткнулось на непредвиденных обстоятельствах. Точнее говоря, на факторе психологическом.

...В противоречие вступил уровень технологии и уровень мышления. Причем у обеих сторон: и тех, кто за, и тех, кто против.

Главное обвинение, выдвигаемое в адрес сторонников дальнейшего наращивания мощностей по производству БВК — преждевременность промышленного запуска новой технологии, автор статьи полностью опровергает очень доказательными фактами: технология прошла тщательную проверку. Продукция, полученная с ее помощью, опробовалась в разных регионах страны на разных видах домашних животных.

Не менее тщательно проверялось на добровольцах воздействие на человеческий организм продуктов, выработанных из мяса, молока животных, в корм которых добавлялся БВК. Около тридцати научных учреждений, представлявших разные ведомства (Агропром, Минздрав СССР, ВАСХНИЛ, АН СССР, АМН СССР), удостоверяли абсолютную безвредность непосредственного и опосредственного воздействия БВК на животных и человека».

И все-таки, пишет А. Покровский, «...дальнейшие события снова — в который уже раз! — подтвердили, что современная технология — штука не только тонкая, но и строгая. Она требует к себе особого, комплексного подхода, учитывающего не только «машинную» сторону дела, но и человеческую готовность воспринять новшество.

Люди, дышат смогом от завода

Пусть не обижаются ни создатели умной и прогрессивной новой технологии, ни многочисленные ее эксперты, но в роли организатора нового производства они действовали во многом по старинке. Да, повторяю, каждый из них строжайше выполнил свою задачу, но только свою. Комплексного, системного подхода не отрабатывалось. К тому же на каждом этапе возникали строго узаконенные, но все-таки допуски. Скажем, известно^ что чужой белок может вызвать аллергическую реакцию организма. В пищеварительном тракте это проверили — нормально. А что будет при вдыхании сухих дрожжей? Это выпало из поля зрения. Плановикам же и экономистам и в голову не приходило думать о психологических последствиях их решений...

В данном же случае психологическая подоплека усложнилась еще и тем, что и новая приоритетная технология требовала соблюдения коммерческой тайны, а значит, большая часть документации шла под грифом «для служебного пользования». Все мы знаем, что любая таинственность немедленно трансформируется в домыслы и слухи. Об этом обстоятельстве подумать, похоже, вообще было некому.

Такая, цепочка бессистемности рано или поздно должна была порваться. И она порвалась там, где была тоньше, — в Киришах. В этом году основательную нагрузку на природную среду уже давали нефтеперерабатывающий завод и крупная ГРЭС. Как назло, в период эпидемии ОРЗ в городе настали тихие безветренные дни, и те самые доли процента добавок от БВК (а в Киришах процент запыленности был выше из-за нарушения технологии) сконцентрировались в городе и вызвали аллергические заболевания. Просто для сопоставления хочу напомнить: осенью прошлого года в Барселоне также была вспышка заболеваний астмой, вызванная соевой пылью при разгрузке в порту. Так что не в микробиологии здесь дело.

Меры были приняты незамедлительно. На Киришском заводе (и на других семи тоже) усилили систему фильтров. В городе больше нет вспышек аллергических заболеваний. Мало того, в 1987 году биохимический завод был остановлен для проведения реконструкции и технического перевооружения. Здесь впервые в отечественной и зарубежной практике внедрена малоотходная (безвыбросная и бессточная) технология, позволившая полностью исключить загрязнение атмосферы и водного бассейна. И тем не менее все эти годы продолжается борьба части населения против нового завода. Ее цепная реакция распространилась и на другие города, где уже действуют или еще только строятся подобные заводы. Более того, перекинулась на биотехнологию вообще».

В погоне за сенсацией, в надежде заслужить почетный в нашем народе титул защитника природы авторы телевизионных программ, журнальных статей вновь и вновь возвращались к событиям в Киришах. В этой обстановке, рассказывает А. Покровский, коллектив Киришского биохимического завода буквально взмолился в открытом письме, адресованном министру здравоохранения Е. Чазову, председателю Госагропрома СССР В. Мураховскому, министру медицинской и микробиологической промышленности СССР В. Быкову. В своем письме, одобренном на совете трудового коллектива предприятия 16 марта, они пишут: «...специфический белок и клетки продуцента в атмосферном воздухе города отсутствуют, полностью исключен сброс промышленных сточных вод в реку Волхов. Казалось бы, победа. Есть все условия для создания экологически чистого производства.

Однако в центральных газетах, в передачах Центрального и Ленинградского телевидения продолжают появляться материалы о неисправимом вреде, наносимом окружающей среде и здоровью людей заводами, выпускающими БВК, а также о вредности и ненужности производимой нами продукции... В городе создана нездоровая психологическая обстановка. Нас, биохимиков, обвиняли и продолжают обвинять во всех заболеваниях и смертях киришан...»

И, прося внести ясность в этот вопрос, добавляют: «Мы же обязуемся отдать все силы, опыт и знания для создания экологически чистого производства БВК и решения Продовольственной программы».

Но уже ползут слухи, что на Западе БВК не применяют, зачем же, мол, и нам их использовать? Не буду приводить цифры и факты, отвечает сомневающимся А. Покровский, что это не так. И цитирует выдержку из опубликованного в «Известиях» письма испанского бизнесмена, который предлагает нам различные продукты микробиологического синтеза, не только способствующие резкому росту и улучшению качества растений и животных, но и не приводящие к вредным последствиям для окружающей среды. Заключает же А. Покровский разговор на эту важнейшую тему вот каким выводом: «Пока мы теряем время в неконструктивных препирательствах, кто-то находит свой коммерческий интерес. Тут есть над чем задуматься».

К чести отечественных ученых нужно сказать — они не прекращали исследований и разработок даже в самые черные для отрасли дни неудач. Ведь им-то не требовалось объяснять, что интенсификация животноводства напрямую связана с интенсификацией микробиологической промышленности, что только она в состоянии компенсировать «недобор» растительного белка. И пока велись, да и продолжают вестись, к сожалению, дебаты по поводу «состоятельности» БВК, в лабораториях и институтах страны работают над созданием нового типа кормов микробиологического происхождения. Эти продукты получаются при помощи принципиально иного технологического процесса, чем тот, который используется при производстве БВК.

Методу дали название твердофазной ферментации, в качестве сырья при такой технологии используются испокон веков знакомые земледельцам сельскохозяйственные отходы виноградарства, растениеводства (солома, отруби), переработки овощей, картофеля... Одним словом, того самого сырья, которое и без микробиологического посредства всегда использовалось в хозяйствах. Солома, например, традиционно добавляется в качестве грубых кормов в рацион жвачных, а в годы лихолетий измельченная и немудреным способом «облагороженная» (запаренная) не раз и не два спасала крестьянский скот от бескормицы. Но одно дело утилизация сырья и совсем другое — получение на его основе высокобелкового корма. Делается это с помощью микроорганизмов, способных усваивать трудноперевариваемые полимеры исходного сырья.

И не только усваивать, но еще и добавлять к ним биологически активные вещества, продуцируемые бактериями в процессе жизнедеятельности, и собственную, микробную биомассу. Содержание белка в корме колеблется от 6—10 (такой «выход» дают древесные опилки, обогащенные грибной биомассой) до 20—25 процентов при использовании в качестве субстрата отходов картофеля.

Нужно сказать, что разработка технологии твердофазной ферментации велась и продолжает вестись во многих странах мира. Причем исследователи шли к цели каждый своим путем, как правило, не имея какого-либо представления о том, сколь успешно идут дела у зарубежных коллег. Вероятно, поэтому получение обогащенных кормовых препаратов сейчас осуществляется в мире двумя путями. Пользуясь современной терминологией, их можно назвать интенсивным и экстенсивным. Отдающие предпочтение тому или иному методу, видят в нем свои преимущества.

Канадские исследователи, например, избрали первый путь, поделив его на два этапа, предполагающих предварительную обработку растительного сырья слабой щелочью, а затем ферментацию в водной среде в обычных заводских ферментерах.

Экстенсивный путь получения обогащенных кормовых препаратов сводится к выращиванию микроорганизмов на твердом увлажненном субстрате. Однако нужно сказать, что эффективность и того и другого способа снижается их весьма серьезными недостатками. Так, при использовании интенсивного пути получения высокобелкового корма необходимо отделить биомассу от субстрата, а затем ее высушить. Насколько данная проблема серьезна и как остро стоит она перед микробиологической промышленностью в целом — разговор впереди.

Не лишен изъянов и экстенсивный путь. Главный из них в том, что слой субстрата, на котором выращивают микробы, должен быть достаточно тонок (не более семи сантиметров), иначе из-за недостатка воздуха микроорганизмы могут погибнуть. Это непременное условие делает метод неприемлемым (или малорентабельным) для микробиологической промышленности, поскольку этот чрезвычайно материалоемкий процесс практически не поддается механизации.

Одним словом, столь серьезные недостатки вышеназванной технологии и побудили советских ученых искать еще один (промежуточный) вариант данного метода, получивший название твердофазной ферментации в перемешиваемом «высоком» слое субстрата с искусственной аэрацией (насыщением воздухом). Последовательность предусмотренных такой технологией процессов представляется приблизительно так: специально сконструированный для этой цели ферментер заполняется увлажненным субстратом, «заселенным» микроорганизмами. Далее процесс развивается по известной в микробиологии, хорошо отработанной схеме производства. А вот его конечный продукт не похож, по крайней мере по внешнему виду, ни на один из выпускаемых прежде высокобелковых кормов. Это своеобразный пирог, в котором слои подвергшихся ферментации опилок и соломы пронизаны грибным мицелием (вегетативное тело гриба, грибница).

Разработан метод учеными Института биохимии и физиологии микроорганизмов АН СССР, и тот же исследовательский коллектив продолжает его совершенствование, теперь уже с целью создания промышленной установки. Ученые еще не завершили своих многотрудных работ, а микробиологическая промышленность уже связывает с ними надежды. Так нужен ей способ, позволяющий наладить более массовое производство столь необходимого отечественному животноводству растительного сырья, обогащенного микробной биомассой.

По сути дела, на сегодняшний день, когда животноводство страны располагает мощным селекционно-генетическим потенциалом, для его резкой интенсификации необходимо единственное — высокобелковый, сбалансированный по аминокислотам корм. А его могут дать только две отрасли народного хозяйства — растениеводство и микробиологическая промышленность. Значит, и развитие последней должно считаться задачей общегосударственного значения, в скорейшем решении которой заинтересованы все.

И хочу подчеркнуть еще раз прежде всего — в производстве кормового белка. Недаром на состоявшемся в Центральном Комитете нашей партии в конце мая 1988 года совещании по развитию химического комплекса страны в качестве одной из важнейших задач было выдвинуто удвоение мощностей по производству кормового микробиологического белка путем строительства новых предприятий в различных регионах Советского Союза.

Но что еще, помимо кормового белка, производит современная микробиологическая промышленность? Витамины и стимуляторы роста, антибиотики и гормональные препараты, микробиологические удобрения и средства защиты полей от сельскохозяйственных вредителей. И несть числа отраслям, областям и направлениям науки, техники, народного хозяйства, где они применяются. Одним словом, любая промышленность, основывающаяся на последних достижениях естественных наук, как говорится, кровно заинтересована и в успехах всей биотехнологии, и микробиологического синтеза, в частности. Но раз заинтересована, значит, не может бесстрастно относиться и к проблемам, над которыми данная отрасль работает.

Вот, например, одна из них, не решив которую чрезвычайно трудно наращивать мощности современных микробиологических предприятий. Суть ее в том, чтобы как можно быстрее внедрить в производство наиболее рациональный способ разделения находящихся в ферментере отработавших свое клеток от культуральной жидкости. Ведь бактерии, как все живые организмы, рождаются, производят на свет себе подобных и отмирают. Как же отделить их от той среды, где проходил их собственный жизненный цикл и продолжает осуществляться аналогичный цикл потомства?

Задача усугубляется тем, что концентрация полученного продукта или самих клеток (если они являются конечной целью производства) в культуральной жидкости, как правило, невелика. И чтобы извлечь их из больших объемов питательных сред, приходится перерабатывать тонны субстрата. Такие затраты тяжким грузом ложатся на экономику всего производства. Так или иначе, но стоимость процесса концентрирования искомого продукта, находящегося в культуральной жидкости, составляет иногда до половины его себестоимости. Вот почему создание недорогого, эффективного метода выделения микробных клеток и продуктов биосинтеза из содержимого ферментера стало одним из условий дальнейшего совершенствования микробиологической промышленности. Но как и с чего именно приступить к решению проблемы? С ее изучения, с поиска уже найденных когда-то решений аналогичных данной задач. Неплохо бы при этом еще и посмотреть, не встречалось ли уже человечество в своей хозяйственной деятельности с нечто подобным. Может, разгадка-то уже давным-давно найдена?

Так оно и оказалось. Виноделам и пивоварам, например, испокон веков известно, что в конце процесса брожения пиво и вино мутнеют. Осветлить их можно довольно просто — убрать из жидкости выпавшие на дно крупные хлопья, представляющие собой не что иное, как слипшиеся клетки дрожжей, завершивших свой жизненный цикл. Но дрожжевая клетка — одна из «героинь» микробиологической промышленности. Так почему бы не воспользоваться особенностями ее развития, заставляя каждый раз выпадать в осадок уже отработавшие клетки?

Но микроскопические клетки, находясь в ферментере в постоянном движении, не слипаются, а значит, вес их не растет, и они оказываются слишком легкими для того, чтобы в силу собственной тяжести упасть на его дно. Такие клетки настолько малы по размерам, что свободно проходят сквозь самые мелкие сита. Их трудно отделить от культуральной жидкости даже с помощью сепаратора. Значит, выхода из создавшейся ситуации нет?

Почему же? Он существует. Известно, например, что специалисты, работающие над проблемой очистки сточных вод, давно и успешно используют метод биологической очистки. Делается это с помощью так называемого активного ила, представляющего собой сообщество микроорганизмов. Входящие в него бактерии тоже имеют склонность к слипанию в крупные агрегаты, после того как завершат очистку воды. «Вот бы наделить таким удивительным даром все микроорганизмы», — невольно думаешь, наблюдая результаты проделанной ими работы.

Что ж, может быть, придет время, и методы генетической инженерии позволят это сделать. Пока же положение вещей следует оценивать более реалистично, а значит, и поиск решения задачи нужно вести в ином направлении. Ну почему бы, скажем, не попытаться создавать бактериям такие условия, которые если и не пробудили б в них склонности к слипанию, то устранили бы силы, ему препятствующие? Тем более что эти силы известны — одноименные электрические заряды поверхностей клеток. Нейтрализуй их — и клетки тотчас слипнутся, а затем выпадут в осадок.

Нейтрализовать заряды несложно: химикам прекрасно известно, что добавление в коллоидный раствор электролита вызывает процесс коагуляции (слипание частиц). А что, как не коллоидный раствор — культуральная жидкость ферментера? Электролитом же может служить кислота, соль. Да вы и сами не раз наблюдали в жизни процесс коагуляции. Знаете, как скисает молоко? Это воздействует на коллоидную систему (молоко) электролит — молочная кислота, вырабатываемая в процессе жизнедеятельности бактерий. Так что же — решение найдено?

К сожалению, опять нет. Потому что среди микроорганизмов есть немало таких, которые не поддаются коагуляции или коагулируют только в присутствии солей металлов, а они, как правило, для клеток токсичны.

Между тем решение проблемы все же существует. По крайней мере, о нем знали индусы еще в I тысячелетии до нашей эры, осветлявшие мутную воду с помощью соков некоторых растений. Правда, древние жители Индии и не подозревали о том, что пользуются естественными полимерами, но суть дела от этого не менялась: вода становилась прозрачной. Сегодня метод концентрирования тонкодисперсных суспензий (жидкость, в которой во взвешенном состоянии плавают твердые частицы) с помощью полимеров нашел довольно широкое применение, а выпадающие в осадок под их воздействием клетки получили название флокул, что в переводе с латыни означает «хлопья». Полимеры же, вызывающие процесс выпадания, именуются соответственно флокулянтами.

Человек в халате кормит птиц

Что же происходит в растворе под воздействием флокулянта? Все то же прилипание. Макромолекулы полимера прилипают к поверхности клетки. Иногда полимер «приклеивается» сразу к нескольким клеткам, и между ними образуются своеобразные мостики, соединяющие в агрегаты тысячи микроклеток.

Аналогичный процесс известен и в биологии. Это так называемая агглютинация — слипание бактериальных клеток, попавших в организм человека или животного. Вызывается он реакцией защитных белков-иммуноглобулинов на вторжение чужака. Однако у биотехнологов свои и, надо сказать, весьма строгие требования к флокулянту. Даже полное отсутствие его собственной токсичности отнюдь не означает «добро» на использование данного полимера в микробиологическом производстве ведь он может оказаться токсичным для птиц и животных, потребляющих продукцию микробиологического синтеза. И для человека, замыкающего этот конец трофической цепи.

В общем, проблема все еще находится в стадии разработки, а ее решение, по крайней мере в ближайшей перспективе, не просматривается. Это ведь только в сказке дело делается с завидной быстротой. В жизни все обстоит иначе. Достаточно, например, проследить историю создания той же отечественной технологии получения кормового белка на основе жидких очищенных парафинов, чтобы понять, сколь сложен и труден был путь ее становления. Начался он еще до революции. И, как всегда, с того, что среди многих и многих людей, наблюдавших аналогичные явления и не придававших тому никакого значения, нашелся человек, увидевший их по-новому. Этот человек — профессор Московского университета Е. Е. Успенский. Исследуя угольные и водные культуры крапивы и хвощей, содержавшихся в сосудах с парафиновыми (или парафинизированными) стенками, ученый заметил нечто необычное.

Так чему же, собственно, удивился профессор?

Мицелию плесневого грибка и бактериальному налету на стенках сосудов, содержащих культуральную жидкость. «Эврика! — вероятно, воскликнул про себя ученый. — Микробы-то, оказывается, способны утилизировать парафин!» Однако пройдут еще долгих девять лет, пока эстафету Е. Е. Успенского не примет его ученик студент-дипломник Владимир Таусон.

Осенью 1925 года «Журнал Русского ботанического общества» публикует на своих страницах уже защищенную дипломную работу В. Таусона под названием «Усвоение парафина микроорганизмами». По сути дела, это была первая в мире серьезная исследовательская работа на данную тему, убедительно доказавшая, что парафин способен стать единственной углеродной питательной средой для большой группы микроорганизмов. Правда, зарубежные исследователи тоже опубликовали к тому времени сообщения о наблюдаемых случаях окисления микроорганизмами углеводородов. Однако никто из них в отличие от В. Таусона не касался темы аналогичного разрушения микроорганизмами углеводородов в природе. Да и физиологии бактерий, утилизирующих парафины, практически ни в одной из этих работ внимания не уделялось.

Между тем советский исследователь, изучив геологическую деятельность таких микроорганизмов в условиях Памира, Кавказа, Таманского полуострова, устанавливает их выдающуюся роль в образовании горючих ископаемых органического происхождения — каменного угля, горючих сланцев, торфа, нефти, природного таза. Пораженный открывшейся ему истиной, В. Таусон с увлечением рассказывает о познанном не только в серии серьезнейших научных статей, но и в научно-популярных книгах, о содержании которых говорят даже названия: «Великие дела малых существ» и «Наследство микробов». А в 1939 году соратник и супруга В. Таусона, Таисия Алексеевна, старший научный сотрудник Микробиологического института АН СССР на основе огромной работы, проделанной по изучению микроорганизмов, способных использовать в качестве питательной среды парафин, выступает в одном из выпусков журнала «Микробиология» с выводами, значение которых оказалось должным образом, оценено только исследователями наших дней: «...высшие предельные углеводороды, широко распространенные в природе, могут, без сомнения, и в естественных условиях разлагаться дрожжевыми и дрожжеподобными организмами, и роль последних в круговороте углерода тем самым расширяется».

Исследования супругов Таусон и многочисленные работы других советских ученых, продолжавших изучение уникального дара микроорганизмов окислять углеводороды, и стали в дальнейшем основополагающими при разработке проблемы промышленного производства кормовых дрожжей. Но понадобилось время и опять же конкретные люди, изучающие особенности жизнедеятельности микробов, способных окислять углеводороды, чтобы между производством кормовых дрожжей, использующим в качестве субстрата продукты гидролиза растительного сырья, наметилась своеобразная тропа, ведущая к производству этих же микроорганизмов, но на основе жидких парафинов.

Среди ученых, изучавших эту проблему, были А. П. Крючкова и Г. И. Воробьева. Первая работала заместителем заведующего отделом в Московском отделении Научно-исследовательского института гидролизной и сульфитно-спиртовой промышленности (МОНИИГС), вторая была в той же лаборатории старшим научным сотрудником и именно здесь начала исследования новых для нее микроорганизмов — дрожжей. И так уж случилось (как это нередко бывает в науке), что в уникальной коллекции штаммов микроорганизмов, собранных А. П. Крючковой во время многочисленных экспедиций, в том числе и в районах нефтяных месторождений, отыскались культуры, способные окислять парафины. С ними-то и начала экспериментировать Г. И. Воробьева. Но для полноты исследований штаммы требовались еще и еще. Ведь только широко разбросив своеобразную сеть поиска, можно было надеяться на хороший «улов». И в экспедицию за микробами отправляются сотрудники Института микробиологии АН СССР, Института микробиологии и вирусологии АН УССР, специалисты многих других научных учреждений. Они везут отовсюду пробы почв, взятые в районах нефтяных месторождений, пробы сточных вод нефтеперерабатывающих заводов, активного ила из очистных сооружений, а в поиск и изучение найденных микроорганизмов включаются все новые институты и организации. Знаете, какое количество штаммов дрожжей было выделено из природных источников и найдено в заново пересмотренных институтских коллекциях за время поиска нужной культуры? Более тысячи!

Крупнейшие ученые страны возглавляли научные коллективы, занимающиеся изучением строения, физиологии, особенностей обмена веществ микробных клеток. Исследовательские коллективы возглавляли Н. Д. Иерусалимский, Г. К. Скрябин, М. Н. Мейсель, Е. И. Квасников, А. П. Крючкова. Наконец начавшиеся в лабораториях МОНИИГСа в простых колбах, установленных на специальных качалках, дабы субстрат активно перемешивался, опыты по выявлению оптимальной среды питания микроорганизмов, окисляющих углеводороды (парафин), были перенесены в маленькие ферментеры емкостью в полтора литра.

Через некоторое время их заменили более солидными — до ста литров. Аппараты делали тут же, в институте. Так, не прекращаясь ни на минуту, отрабатывалась оптимальная технология получения кормовой высокобелковой биомассы на основе жидких парафинов, пока однажды директор МОНИИГСа С. В. Чепиго поставил на стол в Государственном комитете по координации научно-исследовательских работ СССР банку, наполненную светло-желтыми пластинками — первыми кормовыми дрожжами, выращенными на жидких парафинах.

Чуть позже их назовут белково-витаминным концентратом, знаменитым БВК. Но от теперь уже исторической банки с первой продукцией до заводских ферментеров лежал в ту пору долгий и трудный путь. Чтобы его сократить, крупнейшие отечественные химики, микробиологи, медики войдут в специальный научный проблемный совет, созданный при президиуме АН СССР, дабы осуществлять строжайшую проверку безвредности БВК для человека и животных и руководить исследованиями по изучению его биологической ценности.

Так придирчиво и скрупулезно не изучался, пожалуй, ни один, даже медицинский препарат. Не будет ли БВК токсичен для животных, не скажется ли отрицательно на их репродуктивности, не приведет ли к негативным процессам в человеческом организме, и каковы, наконец, его отдаленные последствия для организма животных и потребляющих животноводческую продукцию людей?

Все эти вопросы неоднократно и в самой строгой редакции ставились перед исследователями — медиками, зоотехниками и, наконец, собственной совестью. Ответы были неизменными: не скажется, не приведет, не повлияет...

В 1971 году группе ученых, руководивших коллективами, разрабатывавшими проблему получения белковых веществ из углеводородов нефти, была присуждена Государственная премия СССР. Среди тех, чей научный подвиг столь высоко оценила Родина, был и ныне покойный А. А. Покровский, директор Института питания АМН СССР, возглавлявший медицинскую проверку безвредности БВК для человеческого организма.

Так триумфально завершился научный поиск, начаты и еще в 1913 году в лаборатории профессора Московского университета Е. Е. Успенского. И как хотелось быт именно на этом поставить точку под рассказом о создании технологии получения БВК на основе парафинов. Но... химические анализы продукции, выпускаемой к тому времени уже многотоннажным производством, настораживали: они констатировали в БВК наличие парафина. Тщательная проверка, осуществленная самыми совершенными современными методами, тоже подтверждала его присутствие в микроорганизмах: парафины светились в оболочках и в протоплазме дрожжевых клеток, лежащих на предметном столике флюоресцентного микроскопа.

И на повестке дня появилась проблема, получившая название «остаточные парафины». Проблема складывалась из двух частей.

Первая заключалась в том, что в процессе промывки дрожжей из клеточной оболочки вымывался не весь парафин. С этой бедой оказалось довольно легко справиться — увеличили время промывки. Но как удалить из протоплазмы парафин, захваченный клеткой «прозапас»?

И снова поиск, исследования, надежды и неудачи, пока специалисты ВНИИсинтезбелок, работавшие над проблемой, как говорится, не покладая рук, приходят наконец к выводу: для того чтобы исключить остаточные углеводороды в БВК, необходимы высококачественные парафины и более совершенная технология.

Так в производственном процессе появился еще один дополнительный этап — дозревание дрожжей.

Суть его сводится к тому, чтобы дрожжи «дозрели», освободились от парафинов в другом аппарате, в котором есть почти все необходимое для жизни: соли азота, фосфора, калия, кислород, а вот парафина в отличие от ферментера — нет. Так что хочешь — не хочешь, а дрожжевым клеткам приходится расходовать, дабы не погибнуть на строгой диете, захваченные «на черный день» парафины. Что касается отработки новой технологии, то в ней приняли самое активное участие рабочие и специалисты целого ряда биохимических заводов, в том числе и киришского. Ибо девиз всех, кто причастен к выпуску БВК, всегда был и остается неизменным: выпускать высокобелковую продукцию на благо людей. Во имя этого они и трудятся. Недаром летом прошлого года в Москве состоялась Всесоюзная межотраслевая конференция по проблеме получения и применения кормового микробного белка. В ее работе участвовали не только представители организаций, непосредственно причастных к данной проблеме (Минмедбиопром СССР, Госагропром СССР, ВАСХНИЛ, Минздрав СССР, Академия наук СССР, Академия медицинских наук СССР, Госкомобразования СССР, Госкомгидромет СССР), но и посланцы Киришей, Томска, Кременчуга — тех городов страны, население которых особенно обеспокоено сложившейся в них экологической ситуацией.

И хотя конференция отметила безусловную необходимость дальнейшего развития промышленного производства кормового микробного белка как одного из главных условий интенсивного развития животноводства в нашей стране, она указала и на определенное отставание в решении экологических аспектов, сопряженных с выпуском кормового микробного белка, производимого не в гранулах, исключающих негативное воздействие на окружающую среду и человека, а в виде порошка.

Конференция признала также необходимым продолжить работу как по совершенствованию технологического процесса производства кормового микробного белка и повышению его качества, так и по улучшению условий труда работающих и охраны окружающей среды. А в адрес Министерства медицинской и микробиологической промышленности СССР была записана рекомендация по ускорению создания автоматизированных высокочувствительных методов анализа, позволяющих обнаружить, идентифицировать и определить количественное содержание специфического белка.

Многоступенчатый цикл «разработка — производство — потребление продукта» взят таким образом под всесторонний, глубокий и, будем надеяться, продуктивный контроль, неукоснительное осуществление которого обернется пользой природе и человеку.