Изот Литинецкий - На пути к бионике

У микробов нет специальных органов для приема и переваривания пищи. Поэтому они обязательно должны находиться в среде, которая содержит питательные для них вещества в готовом виде. Такие вещества проникают в микроорганизмы сквозь их оболочку. Продукты питания микроорганизмов черезвычайно разнообразны: одним требуются сложные растительные или животные белки, другим - древесные отходы, третьим - атмосферный азот и углекислый газ. Учитывая это, в лабораториях и производственных условиях создают специальные искусственные среды, в которых растворены жизненно важные для микроорганизмов вещества, содержащие азот, углерод, фосфор, серу и другие элементы. Здесь микроорганизмы быстро размножаются и в процессе жизнедеятельности синтезируют нужные человеку лекарственные, пищевые, технические вещества. Микробы как бы специализируются на выработке определенных веществ, становятся микрогенераторами, лабораториями, "живыми фабриками" фантастической производительности. Ведь они очень многочисленны: в одном кубическом сантиметре жидкости может поселиться микробов во много раз больше, чем сейчас живет людей на Земле. А каждый микроорганизм способен переработать питательной среды в 30-40 раз больше, чем весит сам.

Исключительная скорость размножения, способность синтезировать самые различные органические вещества независимо от погодных и географических условий дают большое преимущество микробам по сравнению с сельскохозяйственными растениями и животными. Далеко не всегда способна состязаться с тружениками микромира и современная химическая промышленность. Возьмем, к примеру, одну из сравнительно последних установок для получения уксусной кислоты и других ценных продуктов прямым окислением сжиженного бутана по методу, предложенному академиком Н. М. Эмануэлем. Процесс протекает под давлением 50-60 атмосфер при температуре 150-170°С в колоннах из специальной кислотоупорной стали. А в природе аналогичный процесс окисления углеводов до кислот с помощью микроорганизмов, питающихся парафином, идет при комнатной температуре и нормальном давлении.

Природа потратила многие тысячелетия, чтобы в процессе эволюции отработать различные реакции, происходящие в живой клетке. По сути дела микробы - это богатейший склад химических реактивов. Только в теле микробов они находятся в наиболее благоприятной среде и имеют наилучшие условия для сохранности и возобновления. Задача людей - познать "технологические процессы" невидимок и научиться их использовать для решения самых разнообразных проблем.

Изучение и практическое использование уникальных физиологических способностей микробов в настоящее время идет в основном по трем направлениям. Первое и самое главное - организация крупнотоннажного промышленного производства различных продуктов и веществ непосредственно силами микроорганизмов. За последние 15-20 лет ученые перенесли из лабораторных колб и пробирок в заводские аппараты и установки множество различных микробов, которые выполняют около 1000 химических реакций. С их помощью ныне синтезируют многие антибиотики, витамины (B12, А и D2), которые небиологическим путем получить пока не удается. Во многих случаях применение микроорганизмов удешевило и упростило процесс производства. Например, использование микробов для получения гормона кортизона настолько упростило технологию его производства, что стоимость этого медикамента снизилась в 100 раз! С помощью микробов ученые научились получать никотиновую кислоту - витамин РР, производство которого химическим путем стоило очень дорого. А в 1970 году к микробиологам, работающим в Институте биохимии и физиологии микроорганизмов АН СССР, обратились химики. Они создали новый полимер - упругий, жаростойкий материал, необходимый нашей промышленности. Но разработать технологию получения промежуточных веществ, из которых, собственно, и строится полимер, химикам долгое время не удавалось. Задачу решили микробиологи. Они отыскали в своих "запасниках" микробы, которые умеют выполнять необходимые химикам превращения.

Второе направление, по которому идут ученые в использовании микроорганизмов, - построение комбинированных химико-биологических технологических систем. Они создаются в тех случаях, когда при получении какого-либо продукта химический метод по ряду технико-экономических соображений целесообразно объединить с биологическими. Так, аминопеницилановая кислота синтезируется чисто химическим путем, а затем с помощью микроорганизмов из нее получают различные пенициллины. Другой пример - получение стероидных гормонов. При этом микробы наиболее точно и просто осуществляют отдельные химические превращения, например связанные с окислением.

Третье направление - бионическое. Убедившись в том, что ряд химических процессов, осуществляемых микробами, по сравнению с известными методами химической технологии значительно совершеннее и экономичнее, ученые стремятся перенести в производство принципы, используемые живыми организмами. Изучение и практическое использование секретов "химической технологии" живой природы является одним из важнейших и успешно развивающихся в настоящее время направлений бионики. Часть этих секретов ученые уже раскрыли. Выяснена полная пространственная структура более двух десятков белков, в основном ферментов. Изучение этих веществ ведется с использованием новейших методов и средств научных исследований (спектроскопия, рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, электронно-вычислительные машины, меченые атомы и многое другое). Успешное развитие этих исследований послужит основой для создания аналогов ферментов, обладающих их замечательными свойствами. Все четче и четче начинает вырисовываться сложная и вместе с тем удивительно простая по идее система регулирования клеточных процессов, основанная на использовании принципов обратной связи. Дальнейшая программа работ по изучению и моделированию микробиологических процессов позволяет надеяться на то, что многие химико-технологические процессы будут в недалеком будущем коренным образом перестроены. На наших глазах рождается новая, многообещающая ветвь бионики - химическая бионика.

Взаимная связь между бионикой, микробиологией и химией с каждым годом становится все более тесной. Этому способствует, прежде всего общность цели: как можно глубже изучить химические процессы, протекающие в микроорганизмах, и на основе полученных знаний ускорить развитие химического синтеза, создать новые высокопроизводительные, полностью управляемые системы для массового и непрерывного производства разнообразных продуктов. Объединяя и взаимно обогащая изолированные ранее друг от друга биологические и технические науки, бионика стремится на основе современных математических, физических, физико-химических методов исследований микробиологических систем найти оптимальные решения технологических задач, стоящих перед синтетической химией.