Михаил Бухар - Популярно о микробиологии

Проблема питания — одна из самых острых, которые стояли и стоят перед человечеством. Среднесуточное потребление белка — главнейшего компонента пищи — в различных странах колеблется от 50 до 100 г на душу населения. Всего на земном шаре живут около 7 млрд человек. Простое арифметическое действие — умножение — дает астрономическую цифру ежедневной потребности в белке. Уже сейчас 400 млн людей голодает, дефицит белка в мире составляет миллионы тонн и продолжает расти.

Синтез белка растениями находится в зависимости от погодных условий и качества посевных площадей. Можно, конечно, их увеличить и добиться повышения урожайности для повышения сборов растительного белка. Однако в настоящее время лучшие почвы в основном уже освоены, и расширение пахотных земель если еще и возможно, то лишь за счет освоения менее плодородных почв, где урожаи будут значительно ниже. Все это говорит о том, что даже само по себе увеличение посевных площадей в настоящее время не приведет к решению проблемы питания. Необходимо использовать новые подходы.

С детства мы знаем легенды, герои которых удивительным образом справляются с этой задачей. Все, наверное, помнят сказку братьев Гримм о волшебном горшочке. Девочке из бедной семье его подарила старушка, которую она повстречала в лесу. Стоило только сказать: «Раз, два, три, горшочек, вари», как он начинал варить вкусную сладкую кашу. Или не менее удивительный вариант, описанный в Евангелии: «…Он взял пять хлебов и две рыбы, воззрев на небо, благословил и преломил хлебы, и дал ученикам Своим, чтобы они роздали им…. И ели все и насытились… Было же евших хлебы около пяти тысяч мужей». Не правда ли, чудо? Но ведь мы привыкли к тому, что в наше время сбываются самые невероятные мечты наших предков. Оказалось, что и евангельское «чудо» с пятью хлебами не так уж невозможно. Для этого нужно использовать синтетические способности микроорганизмов — биологических объектов с наиболее интенсивным уровнем обменных процессов.

Действительно, 5 кг дрожжевых клеток, размножаясь, дают в течение суток биомассу, равную среднему весу двух коров. Ею уже можно накормить несколько тысяч человек, особенно если учесть, что примерно половину веса дрожжевых клеток составляет белок. Вот вам и пять хлебов, которыми Христос накормил пять тысяч мужей. Элементарные расчеты показывают, что такое «чудо» вполне возможно. Нужно только найти микроорганизм, способный вести интенсивный синтез белка, снабдить его исходным сырьем, создать необходимые условия для роста — и проблема будет решена.

Промышленное производство белка с помощью микроорганизмов не требует посевных площадей, не зависит от климатических и погодных условий и позволяет получать продукцию стандартного качества. Однако здесь есть свои трудности: это проблема и сырья, и высокого содержания в получаемом продукте наряду с белками нежелательных нуклеиновых кислот. Однако и эти проблемы успешно решаются или уже решены. Показано, что прием в пищу 20–30 г дрожжей, что соответствует приему 2 г нуклеиновых кислот, не оказывает вредного воздействия на человеческий организм. Кроме того, содержание нуклеиновых кислот в биомассе дрожжей может быть значительно снижено за счет специальной обработки. Что касается сырья, то и эта проблема частично решена, так как выращивание дрожжей может проводиться на питательных средах, содержащих этиловый или метиловый спирты, а также газ и другое углеводородное сырье.

Человечество узнало об этиловом спирте тысячи лет тому назад. Фрукты или фруктовые соки, содержащие углеводы, превращались попавшими из воздуха микроорганизмами в этиловый спирт. Такой процесс называется брожением, и он был известен еще нашим далеким предкам, которым, очевидно, понравились перебродивший сок и его последующее действие. С тех пор производство спирта возросло до миллионов тонн, но, конечно, не весь он идет на производство веселящих напитков. Спирт — важное сырье для химической промышленности, и ее потребности до недавнего времени определяли масштабы его производства. В последние годы к уже известным потребителям спирта прибавился еще один — микроорганизмы. При этом имеет место следующая взаимосвязь, изображенная на схеме:

Одни микроорганизмы превращают углеводы растительного происхождения, образующиеся в результате фотосинтеза, в спирт, а другие используют его для получения белка. Исходное сырье — углеводы — может быть получено почти в неограниченных количествах в районах, в которых производство растительного сырья не представляет проблем, например в тропиках. Процессы, представленные на этой схеме, позволяют использовать даровую солнечную энергию для биосинтеза белка. Наверное, следует более подробно остановиться на проблеме микробного белка и причинах, вызвавших к нему значительный интерес. Дело в том, что хотя растительные корма и содержат достаточное количество белка, его качество не может удовлетворить пищевые потребности человека из-за отсутствия в нем некоторых «незаменимых» аминокислот. Так, белки пшеницы бедны лизином, белки гороха — метионином, а белки кукурузы — триптофаном. Нехватка этих аминокислот в пище может быть восполнена добавлением белков микробного происхождения, что даст возможность обеспечить полноценным питанием человека и животных.

Не следует думать, что использование микробного белка превратит человека в поедателя дрожжей. Существует множество пищевых производств, нуждающихся в белковых добавках: это и хлебопечение, и животноводство, и рыбоводство.

И все же, несмотря на впечатляющие успехи микробиологического синтеза, основным поставщиком пищи является сельское хозяйство, объем продукции которого достиг 5 млрд тонн. В связи с ростом народонаселения к 2025 г. этот показатель должен быть увеличен на 50 %.

Предыдущее значительное повышение урожайности зерновых и риса — так называемая «зеленая революция» — было достигнуто за счет распространения высокоурожайных короткостебельных сортов пшеницы и риса. Признак короткостебельности контролируется генетически и легко передается при гибридизации, что в значительной степени облегчает селекцию новых высокоурожайных сортов. «Зеленая революция» сняла висящий над многими странами дамоклов меч голода и помогла накормить азиатские страны, численность населения которых за последние 40 лет увеличилась вдвое (с 1,6 до 3,5 млрд человек).