Пища из пробирки. Как дрожжи и плесень помогают синтезировать белки и витамины

Представьте, что «накормив» дрожжи или плесень обыкновенным сахаром, вы можете получить белки, антибиотики и множество иных дорогостоящих веществ. Простыми словами, так и работает микробиологический синтез — метод, основанный на контролируемом выращивании специально созданных микроорганизмов для производства биологически активных веществ. Сегодня этот метод играет ключевую роль в медицине, сельском хозяйстве и пищевой промышленности.

При этом микробиологический синтез — лишь одно из направлений биотехнологической науки, основанное на применении дрожжей, плесени и иных микроорганизмов. Биотехнология же, в свою очередь, представляет собой междисциплинарную область знаний, основанную на применении живых организмов и биологических механизмов для решения задач в сельском хозяйстве, промышленности, медицине и других сферах человеческой деятельности. В ее основе лежит использование биологических агентов — от микроскопических бактерий до многоклеточных систем. Интересно, что сам термин «биотехнология» появился сравнительно недавно: его ввел в научный оборот венгерский инженер Карл Эреки в 1917 г.

Человечество знакомо с продуктами микробиологического синтеза уже много столетий — ярким примером служат пекарские дрожжи, применяемые в хлебопечении с древности. Однако настоящий прорыв в их промышленном использовании произошёл лишь в середине XX века, в 1940–1950-х годах. Толчком к этому стало эпохальное открытие пенициллина, которое раскрыло потенциал метаболитов микроорганизмов — соединений, способных влиять на биологические процессы. Это событие стимулировало масштабные исследования физиологически активных веществ, вырабатываемых микробами.

Внедрение технологии массового производства пенициллина потребовало решения целого комплекса задач: от оптимизации условий культивирования микроорганизмов до разработки инженерных решений для стерильных процессов. Параллельно рос спрос на дрожжевые культуры, которые стали ключевым источником белково-витаминных добавок для сельского хозяйства. Эти направления заложили фундамент современной промышленной микробиологии.

Важным технологическим достижением стало создание ферментёров — специализированных биореакторов. Эти установки позволяют проводить контролируемый биосинтез в полностью изолированной среде, исключая загрязнение посторонней микрофлорой. Конструкция ферментёров включает механизмы для аэрации стерилизованным воздухом и гомогенизации питательной среды, что обеспечивает высокую эффективность процессов.

«Насколько свойства синтезируемого микробным путем белка будут отличаться от белка естественного происхождения, зависит от поставленных производителем. Хочет ли он получать белок, который полностью соответствует свойствам обычных белков, или же мы хотим их изменить? Трансформируя нуклеотидную последовательность ДНК микроорганизмов, синтезирующих ферменты, можно повлиять на условия, при которых они проявляют свою наибольшую активность (температуру и/или кислотность среды). В настоящее время при помощи микробного синтеза получены более сладкие, по сравнению с природными, подсластители белковой природы. Многие свойства веществ можно изменить при помощи биотехнологий», — рассказала корреспонденту «Научной России» доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории пищевой токсикологии и оценки безопасности нанотехнологий ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии» Ольга Викторовна Багрянцева.

Основными участниками биотехнологических процессов в микробиотехнологическом синтезе выступают бактерии, например молочнокислые виды или термофильная болгарская палочка, и одноклеточные грибы — дрожжи и плесневые культуры, известные своей метаболической активностью. Эти микроорганизмы стали незаменимыми «инструментами» биотехнологии благодаря уникальным особенностям:

• экспоненциальной скорости размножения, позволяющей быстро наращивать биомассу;
• экологической пластичности — способности существовать в экстремальных условиях, от высоких температур до кислых сред;
• метаболической универсальности — умению преобразовывать разнообразные субстраты, включая органические отходы, целлюлозу и даже нефтепродукты.

Но как сделать так, чтобы дрожжи производили именно тот белок, который нам нужен? Ученые могут использовать мутации и технологии, применяемые в генной инженерии, использование которых приводит к изменению порядка нуклеиновых последовательностей ДНК микроорганизмов. При этом, применение методов генной инженерии  приводит к изменению структуры ДНК за счет внесения в нее «вставок» ДНК из других видов микроорганизмов, растений, животных. В результате  получатся генетически модифицированный микроорганизм, способный к продукции определенных пищевых веществ с заданными свойствами и в больших количествах.

Прорыв в области селекции — науки о создании организмов с заданными свойствами — открыл новую эру в использовании микробов. Ученые разрабатывают штаммы, синтезирующие ценные соединения в концентрациях, в тысячи раз превышающих естественные потребности самих микроорганизмов. Яркий пример — L-лизин-продуцирующие бактерии, которые производят незаменимую аминокислоту лизин. Это вещество, не синтезируемое в организме животных, стало основой для обогащения кормов и пищевых продуктов.

«Сейчас эти способы получения пищевой продукции развиваются стремительно, потому что человечество испытывает дефицит в пищевых, в биологически активных веществах. Способ получения пищевого сырья при помощи микробного синтеза очень дешев. С его помощью можно синтезировать целый ряд белков, углеводов, липидов, витамины, другие биологически активные вещества, которые могут использоваться в питании человека.

В качестве продуцентов пищевых веществ применяются бактерии и простейшие грибы (нитчатые и дрожжеподобные грибы, одноклеточные микроводоросли). У бактерий последовательность ДНК упрощенная по сравнению последовательности ДНК человека, что, в некоторых случаях, не позволяет получать белки с необходимыми для человека свойствами. Поэтому в производстве пищевых компонентов чаще используют простейшие грибы,  то есть те микроорганизмы, которые в составе своей клетки (как и у человека) имеют ядро. Чаще всего, конечно, это плесневые и дрожжеподобные грибы, которые уже научились выращивать  и получать из них все необходимые для нас пищевые вещества.

Почему этот процесс настолько дешев? Во-первых, микроорганизмы быстро растут. Во-вторых, питательные среды необходимые для их роста достаточно дешевы. Например, из глюкозы можно много чего получить. Таким образом, из дешевого сахара вы синтезируете достаточно дорогие виды пищевой продукции. Тут и пищевые добавки, и ароматизаторы, и пищевые компоненты, и витамины. Все витамины сейчас могут быть получены путем микробного синтеза. В настоящее время доля таких витаминов составляет примерно 20% от всего объема производимых в мире витаминов. Кроме того, применение биотехнологий дает возможность увеличить во много раз количества производимой продукции в короткие сроки», — объяснила О.В. Багрянцева.

Микробиологический синтез белков открывает новые горизонты в решении глобальных проблем питания и экологии. Одним из ключевых достижений в этой области стало производство кормового протеина для сельскохозяйственных животных. Специализированные штаммы дрожжевых культур, помещенные в биореакторы, демонстрируют удивительную эффективность: потребляя растительные субстраты (преимущественно солому), они продуцируют до 30 кг белка на кубометр установки. Для наглядности: такой объем сопоставим с суточным приростом мышечной массы у стада из 100 голов крупного рогатого скота.

Прогресс в биотехнологиях трансформирует и рацион человека. Благодаря микробным культурам стали возможными инновационные пищевые продукты — от растительных аналогов мяса до ферментированных сыров и имитаций морепродуктов. Эти разработки не только расширяют гастрономическое разнообразие, но и предлагают альтернативу традиционному животноводству.

Не менее значим вклад микроорганизмов в обогащение пищи нутриентами. В ходе контролируемого культивирования синтезируются незаменимые аминокислоты (глицин, лизин) и витаминные комплексы (группы В, С, D), которые становятся основой для биологически активных добавок.

Отдельного внимания заслуживает экологический аспект технологии. Некоторые штаммы дрожжей Candida демонстрируют уникальную способность утилизировать углеводороды, превращая нефтяные загрязнения в белковые соединения. Этот процесс, известный как биоремедиация, позволяет не только получать ценный продукт, но и восстанавливать экосистемы водоемов, пострадавших от техногенных аварий.

«Использование пищевых компонентов, продуцируемых микроорганизмами с измененным генотипом может нести определенные риски здоровью потребителя. Недобросовестные производители могут принять производстве штаммы, которые не прошли проверку их безопасности для человека. Изменение структуры продуцируемых ими веществ может привести к развитию алиментарно-зависимых патологий. Эти риски были приняты во внимание, при введении изменений в технический регламент, содержащий требования безопасности пищевых добавок, ароматизаторов и технологических вспомогательных средств. Этот документ содержит требования к процедурам  подтверждения безопасности  этих видов пищевой продукции (включая  ферментные препараты) для потребителей пищевой продукции. Относительно других видов пищевой продукции, в соответствии с установленным законодательством, также необходимо соблюдать  требования их безопасности здоровью потребителя.», — подчеркнула О.В. Багрянцева.

Микробиологический синтез демонстрирует колоссальный потенциал как технология многонаправленного назначения, сочетающая задачи производства пищи, лекарств и кормовых добавок. Биотехнологии решают ключевые вызовы современности: от обеспечения растущего населения белковыми ресурсами до ликвидации последствий техногенного загрязнения. Главная наша задача сегодня — сделать так, чтобы подобные технологии были не только эффективны, но и надежны.