Мы часто делим микробы на хороших и плохих полезных и вредных. Мне как-то пришлось выступать перед одной из сенатских комиссий, которой было поручено изучить документы об основных принципах развития науки. И когда меня отрекомендовали как человека, занимающегося микробами, председатель комиссии заметил, что все мы, вероятно, должны чувствовать ненависть к этим ужасным созданиям. Я ответил, что занимаюсь преимущественно хорошими микробами, на что сенатор возразил: «Никогда не слышал, что существуют и хорошие микробы, но если это действительно так, то я, во всяком случае, встречался только с плохими!»
Господа, за микробами последнее слово!
С пенициллиназой мы уже познакомились в 19-й главе. Этот фермент — щит бактерий, отражающий губительные для них стрелы в виде молекул пенициллина. Сколько неприятностей доставила она врачам, которые с разочарованием должны были отказываться от пенициллина как бесполезного препарата. Но все же пригодилась и пенициллиназа! На этот раз она оказала услуги не ее производителям, бактериям, а человеку, познавшему теневые стороны применения пенициллина — вызываемые им аллергические реакции и анафилактические шоки. И когда они проявляются (хоть и очень редко), на помощь человеку приходит пенициллиназа.
Сегодня микробиологи умеют получать не только пенициллин, но и пенициллиназу. При аллергической реакции на пенициллин желательно прежде всего полностью удалить его из организма. Для этой цели в организм вводят пенициллиназу. Она отыскивает молекулы пенициллина и уже известным нам способом разрушает их. Химическое изменение пенициллина сразу же облегчает состояние слишком чувствительного больного, и аллергическая реакция проходит.
Пенициллиназа не единственный фермент микробов, который можно применять для лечения. Специалистам известны и другие ферменты болезнетворных бактерий, например стрептокиназа, полученная из гемолитических стрептококков. Это вещество, примененное в соответствующих дозах, может устранять нежелательное свертывание крови.
На VI Международном конгрессе по химиотерапии в августе 1969 года в Токио на повестке дня стоял вопрос об L-аспарагиназе — ферменте, полученном из кишечных бактерий. Как показали исследования японских, американских и других ученых, L-аспарагиназа эффективна в борьбе против лейкоза у детей[40], и одна из японских компаний в 1970 году начала производство этого препарата.
Таким образом, эти мельчайшие микроскопические существа поставляют нам не только антибиотики, но и соединения, которые могут быть использованы для защиты здоровья человека.
Мы уже знаем, что витамины — важные компоненты ферментов, без которых последние не могли бы выполнять свои биохимические функции. Поэтому каждая клетка, каждый организм нуждаются в витаминах. Нуждаемся в них и мы. Отсутствие в пище хотя бы одного из витаминов приводит к нежелательным расстройствам организма, как это видно из таблицы 13.
Всем известно, что витамины находятся в различных пищевых продуктах, но мало кто знает, что некоторые витамины (С, D, группы В) получают в настоящее время заводским путем с помощью микробов.
Витамин В2 (рибофлавин) получают из продуктов жизнедеятельности дрожжей. Кроме них, для этой цели используются также грибы Eremothecium ashbyii и Ashbya gossypii, паразиты хлопчатника и других растений. За свою «вредительскую» деятельность они расплачиваются с нами, производя столь необходимый нам рибофлавин.
В 1 л жидкой культуральной среды, в которой выращиваются эти микроскопические грибы, содержится около 1 г рибофлавина, столько же, сколько в 500 л коровьего молока. Теперь эти микробы — продуценты витамина В2 выращиваются в огромных 100 000-литровых емкостях, откуда через каждые 4–5 дней выделяют по 100 кг витамина. Достаточно сказать, что такое количество рибофлавина содержится в 50 миллионах литров молока.
Накопление новых данных о витаминах сопровождалось и расширением наших сведений об их влиянии на микроорганизмы. Во многих случаях микробы оказали помощь в выделении витаминов и в их химическом изучении. Приведем пример из недавнего прошлого, показывающий, каким образом микробы способствовали решению загадки, связанной со злокачественнным малокровием.
Злокачественное малокровие — болезнь, выражающаяся в пониженной выработке организмом красных кровяных телец (эритроцитов). Уже давно при лечении этой болезни применяли препараты, выделяемые из печени и содержащие химически неизвестное в те времена вещество. В 1948 году было обнаружено, что это вещество влияет на рост молочнокислых бактерий Lactobacillus lactis. Их размножение зависело от присутствия в питательной среде какого-то стимулирующего вещества. Констатация этого факта была первым шагом к тому, чтобы при помощи бактерий выделить из печени это вещество в чистом виде. Теперь-то мы знаем, что этим стимулятором является витамин В12.
Сведения о новом витамине постепенно пополнялись. Оказалось, что его продуцентами являются многие бактерии и актиномицеты; некоторые из них (как, например, упомянутые молочнокислые бактерии) должны получать его для своего роста и развития в уже готовом виде. Микробы, обитающие в одном из отделов желудка жвачных (в рубце), как нам уже известно, сами вырабатывают витамин В12.
Дальнейшие исследования показали, что некоторые актиномицеты — продуценты антибиотиков — образуют значительные количества этого витамина. В настоящее время в промышленном масштабе витамин В12 вырабатывается в основном при помощи этих микроорганизмов. Для его получения используют также микроорганизмы, живущие в осадках сточных вод.
Ученым удалось установить химический состав нового витамина. Строение его молекулы имеет много общего со структурой красящего вещества крови (гемоглобина) и хлорофилла. В состав молекул этих веществ входят атомы металлов: в молекуле гемоглобина содержится атом железа, в молекуле хлорофилла — атом магния, а в молекуле витамина В12 — атом кобальта (этот витамин иногда называют цианокобал амином).
Витамин В12 используется для приготовления чистого медицинского препарата, а в неочищенном виде его вместе с некоторыми антибиотиками добавляют к кормам домашних животных.
Микробы, вырабатывающие витамин В12, однако, не столь усердны, как продуценты рибофлавина. Но химикам стоит поработать над усовершенствованием метода выделения витамина В12 даже в том случае, если на миллион частей культуральной среды будет получено лишь пять частей витамина. Ведь важность витамина огромна: суточной его дозы (1 миллионная часть грамма) вполне хватает для обновления крови при некоторых видах малокровия, вызванных недостатком этого витамина или неспособностью организма получать его из пищи.
В последние годы началось промышленное производство еще одного витамина — биотина. Вырабатывают это вещество дрожжи из рода Sporobolo-myces. Биотин используется в медицине, а в неочищенном виде добавляется в корма.
Дрожжи Saccharomyces carlspergensis используются в биологическом производстве эргостерина, из которого при помощи ультрафиолетовых лучей получают витамин D. Эргостерин, как мы помним, был выделен еще в прошлом веке из зерен злаков, пораженных спорыньей. В 1927 году было установлено, что эргостерин под действием ультрафиолетовых лучей преобразуется в витамин D и приобретает свойства, очень важные для лечения рахита.
Образование подобных веществ характерно и для бактерий. Так, уксуснокислые бактерии применяются при производстве витамина С. Основным сырьем для его получения служит глюкоза, которая химическим путем превращается в соединение, называемое сорбитом. Затем сорбит при помощи уксуснокислых бактерий превращается в сорбозу, а из нее уже химическим путем получают витамин G.
Эргостерин принадлежит к группе химически сходных веществ, называемых стероидами. К ним относятся и некоторые важные гормоны. В организме человека и животных гормоны образуются в железах внутренней секреции, из которых они переносятся к месту действия циркулирующими в теле жидкостями. Недостаточное или чрезмерное образование гормонов в организме всегда ведет к различным нарушениям физиологических процессов. Познав природу и функцию гормонов, человек стал применять их в качестве лекарственных препаратов.
В 50-х годах значительно увеличился спрос на стероидные гормоны из коры надпочечников, которые применяются при ревматических заболеваниях суставов, а также при различных воспалительных процессах, аллергиях, кожных и глазных болезнях. Кроме того, они используются в качестве анестезирующих средств и противозачаточных препаратов. Некоторые половые гормоны применяются и при лечении рака.
Спрос на стероидные гормоны постоянно возрастал. Только в США за 1961 год их было продано на 150 миллионов долларов. Но получать их приходилось из органов животных и при этом очень трудоемким способом. Поскольку в природе существуют более дешевые химически близкие стероиды, ученые пытались использовать эти источники для получения редких лекарств. Основной проблемой было изменение молекулы более доступного природного сырья: в положение, обозначаемое химиками цифрой 11, необходимо ввести еще один атом кислорода. А это оказалось нелегким делом.
Американский химик Л. Саррет в 1946 году опубликовал сообщение о результатах своих исследований. Он хотел получить гормон кортизон из дезоксихеловой кислоты, содержащейся в желчи. Для «перемещения» атома кислорода из положения 12 в положение 11 ему потребовалось осуществить более десяти сложных химических операций. Кроме того, для преобразования молекулы дезоксихеловой кислоты в молекулу кортизона требовалось провести тридцать две химические реакции, причем каждая из них влекла за собой потерю половины предшествующего промежуточного продукта. В результате из 600 кг исходного сырья — сравнительно дорогой дезоксихеловой кислоты — он получил всего 938 г кортизона, то есть выход конечного продукта составлял менее двух десятых процента.
Гидроксильная группа, присоединяемая микробами в положение 11 при получении гидрокортизона
На помощь пришли микробиологи. Им уже давно были известны микроорганизмы, изменяющие стероидные соединения. Некоторые из них могут ввести в молекулу стероида атом кислорода как раз в положение И, то есть осуществляют процесс «11-бета-гидроксилирования». Химики с большой радостью приняли помощь микробиологов. Вместо 32 химических операций для получения гидрокортизона теперь достаточно всего нескольких стадий. При этом одну из важнейших для преобразования молекул реакций осуществляют микроорганизмы.
Еще на клинописных табличках, относящихся к 600 году до н. э. (Ассирия), было записано, что хлебные зерна бывают заражены каким-то ядом. В Средние века в Европе было несколько вспышек загадочных эпидемий, которые унесли тысячи человеческих жизней. В одну из эпидемий эрготизма в 994 году во Франции погибло около 40 000 человек. Через сто лет после этого был основан монашеский орден, члены которого обязаны были заботиться о больных эрготизмом… Вернемся еще раз к знаменитому Парацельсу, провозгласившему, что «все есть яд, и ничто не лишено ядовитости; одна только доза делает яд незаметным». Спорынья появляется в результате поражения хлебных злаков грибом Claviceps purpurea. В продолговатых черных зернах таится и смерть и спасение!
Немецкий врач Лоницер уже в конце XVI века упоминал о том, что повивальные бабки применяли «эргот» как средство, ускоряющее роды… Но это было единственным лечебным использованием спорыньи. В XIX веке врачи применили ее и в других целях. Чем же объясняется, что иногда спорынья бывает причиной смерти, а иногда излечивает?
Химики сделали целый ряд открытий. Они постепенно выделили из зерен спорыньи загадочные соединения, относившиеся к обширной семье веществ растительного происхождения, известных под общим названием алкалоидов. Оказалось, что спорынья содержит пеструю смесь алкалоидов, которые химики по мере выделения называли эрготоксином, эрготинином, эрготамином, эргоновином…
Среди ученых, занимавшихся исследованием алкалоидов, выделялась группа щвейцарских химиков во главе с Штоллем. Они доказали, что алкалоиды спорыньи имеют общий «химический знаменатель»: в основе их структуры лежит вещество, названное ими лизергиновой кислотой. Оно являлось таким же «ядром молекулы», как и 6-аминопенициллановая кислота, используемая в настоящее время для получения полусинтетических пенициллинов.
Таким «ядром», к которому химики стали присоединять самые различные «радикалы», стала илизергиновая кислота. При этом были получены новые алкалоиды, отличающиеся разнообразным биологическим действием.
Гофман, один из коллег Штолля, пережил приключение с невеселым началом, но, к счастью, благополучно закончившееся. Работая с одним из «искусственных» производных лизергиновой кислоты, зарегистрированным в дневниках лаборатории под шифром ЛСД-25, он случайно лизнул капельку препарата… Через несколько часов его отвезли в психиатрическое отделение больницы, так как, по мнению близких, Гофман сошел с ума. Врачи констатировали симптомы, схожие с теми, которые появляются при шизофрении… Через несколько дней Гофман вернулся в лабораторию вполне здоровым.
На собственном опыте он убедился, что ЛСД-25 вызывает галлюцинации. Американский ученый Корнфелд, также изучавший производные лизергиновой кислоты, позднее писал: «… меньше чем четверти килограмма соответственно дозированного ЛСД-25 было бы достаточно для временного превращения всех восьми миллионов жителей Нью-Йорка в шизофреников».
Препарат ЛСД-25, который сейчас, помимо всего прочего, применяется и при лечении алкоголизма, оказывает сильное и глубокое действие на центральную нервную систему. Некоторые люди, и таких немало, тайно «поклоняются» этому наркотику, занимаясь по существу самоубийством. Круг замкнут! Из яда (спорыньи) мы получили ценнейшие лекарственные средства (алкалоиды), которые в руках безответственных торгашей становятся источником баснословных прибылей, а в руках людей слабых и развращенных — средством собственной гибели.
Между тем исследование алкалоидов спорыньи продолжалось. Микробиологи «научили» их продуцента, Claviceps purpurea, расти и в лабораторных условиях, так же как когда-то заставили продуцентов антибиотиков вырабатывать эти ценные лечебные препараты в промышленных масштабах. Лизергиновую кислоту в настоящее время можно получить и из другого вида гриба — С. paspali, который обладает еще большими потенциальными возможностями, чтобы стать «промышленным микробом».
Интересна история алкалоида эфедрина. Вначале его получали из китайского кустарника ма хуанг (эфедры, хвойника), о лечебных свойствах которого китайцы знали уже тысячи лет. Но после первой мировой войны немецкий биохимик К. Нёйберг при помощи дрожжей преобразовал бензальдегид в соединение фенилгидроксипропанон, из которого позднее, применив всего одну-единственную химическую реакцию, химики получили эфедрин. Так из дешевого бензальдегида фармацевтическая промышленность получает теперь ценный алкалоид. Процесс может быть выражен такой упрощенной схемой:
Этот рассказ можно было бы продолжить, ведь теперь известны и другие алкалоиды, полученные из микробов. Возможно, что во многих лабораториях нас ждут новые неожиданности…
В производстве алкалоидов микроорганизмы могут быть использованы и как косвенные помощники. Например, выход алкалоидов из головок мака можно увеличить, если головки предварительно инфицировать некоторыми микроскопическими грибами, частично их разлагающими. При этом лучшие результаты даст химическая экстракция алкалоидов.
Я пью шампанское из этого бокала
За тех, чьи кости от Ла-Манша до Байкала
Покоятся в земле, чтоб больше не восстать.
Ночей не хватит мне над ними причитать.
Я пью шампанское — не кровь, как пьют иные;
Я верю в красоту, как в брюхо остальные.
Посмей не утверждать, что не пророк поэт,
Я пью шампанское, и смех — мой вам ответ.
История виноделия своими корнями уходит в глубокую древность. По библейским сказаниям, праотцем всех виноделов был Ной, вырастивший большой виноградник. Косточки культурного винограда находят в египетских гробницах, хотя египтяне делали вино и из фиников, и из ячменя. Кстати, последнее было напитком простого люда, им омывали также тела умерших перед бальзамированием. В Грецию опыт виноделия пришел, по-видимому, из Малой Азии. Согласно мифу, с виноградной лозой Грецию познакомил бог вина Дионис. В «Илиаде» Гомер говорит, что на щите, который Гефест выковал для Ахиллеса, был изображен весь мир и дела человеческие. Не был забыт и виноград:
О роли дрожжей в получении вина долгое время ничего не было известно. Муть, осаждавшуюся в конце брожения на дне сосудов и состоявшую, как мы знаем, в значительной мере из клеток дрожжей, немецкий монах и алхимик XV века Базилиус Валентинус считал за faeces vini (выделения, облагораживающие вино). У французских вин очень давние традиции. Говорят, что бургундские виноградники были заложены 2000 лет назад. Когда в 600 году финикийцы основали портовый город Марсель, там уже якобы пили славное бургундское вино.
Луи Пастер, раскрывший сущность брожения, научил своих соотечественников «излечивать» болезни вин отбором качественных дрожжевых культур и пастеризацией готового продукта. Лучшими винными дрожжами являются Saccharomyces cerevisiae elipsoideus.
В Словакии виноделием славится область Малых Карпат, а также районы на юге и востоке страны. Центр виноделия на склонах Малых Карпат — старинный городок Модра, в гербе которого изображена веточка лозы с гроздьями винограда.
Пивоварение — один из самых древних производственных процессов — применяется человеком уже 5000 лет. Основателями пивоварения считают древних египтян. Согласно мифологии, бог Озирис научил человека варить пиво, чтобы облегчить ему тяготы жизни. В легендах северных народов хранителем и покровителем бродильных чанов был бог Химер.
В ассирийских табличках 2000 года до н. э. упоминается, что Утнапиштим (ассирийское имя Ноя) взял в свой ковчег среди прочих продуктов и пиво. Еще более древние сведения мы находим в шумерском рельефе древнего Ура (около 2600 лет до н. э., в эпоху, царствования царицы Шуб-ад). На нем изображены две женщины, потягивающие пиво через тонкие соломины (такой способ питья отнюдь не является достижением нашего века!). Приблизительно к тому же периоду относятся египетские папирусы четвертой династии, в которых описывается приготовление солода из ячменя (фото 65). Древние китайцы пили киу — напиток типа пива, получаемый из риса, — уже в 2300 году до н. э. Высадившийся в Центральной Америке Колумб обнаружил у индейцев пиво, приготовляемое из кукурузы.
На научную основу пивоварение было поставлено лишь Пастером, который на протяжении нескольких лет изучал «болезни» пива. В результате он получил точное представление о деятельности дрожжевых грибов и о влиянии посторонних микроорганизмов на процессы брожения. Свои наблюдения и рекомендации пивоварам ученый обобщил в 1876 году в книге «Исследования о пиве». Датский исследователь Эмиль Христиан Ганзен, изучавший микробиологические процессы, ввел в производство пива чистые культуры дрожжей. По названию Карлсбергской лаборатории в Копенгагене, рассылавшей пивные дрожжи во все страны мира, они получили название Saccharomyces carlsbergensis (фото 66).
В Европе основным сырьем для пивоварения служит ячмень. Зерна высококачественного ячменя насыпают слоем в несколько сантиметров, увлажняют и проращивают. Эти искусственно проращенные зерна называются солодом. Во время прорастания в зернах образуются ферменты, используемые в дальнейших процессах.
Солод высушивают, перемалывают и смешивают в определенной пропорции с водой. При постепенно повышаемой температуре (от 40 до 70 °C) в действие вступают ферменты, разлагающие крахмал на сахара, которые переходят затем в водный раствор. Кроме сахаров, в раствор попадают компоненты белков и минеральные соли. Полученную смесь подвергают кратковременному кипячению, после чего твердые частицы (дробину) отфильтровывают, а в оставшуюся чистую жидкость, называемую суслом, кладут шишки хмеля и снова варят. Из хмеля выделяются различные соединения, они придают жидкости особый аромат и обладают бактерицидными свойствами. При кипячении жидкость стерилизуется. Затем ее фильтруют, в результате получается раствор, содержащий различные сахара (преимущественно глюкозу), аминокислоты, минеральные соли и другие вещества. Он служит питательной средой для дрожжевых грибов, которые засевают в большие бродильные чаны. Брожение протекает при температуре около 10 °C и продолжается 10 дней, а при более высокой температуре (15–23 °C) — около недели. На поверхности бродящей жидкости в результате освобождения углекислого газа образуется пена.
Перебродившее таким образом пиво еще непригодно к употреблению и после отделения дрожжей должно в течение нескольких недель дозревать в больших сосудах при температуре около 0 °C. За это время процесс брожения постепенно заканчивается, некоторые вещества осаждаются. После их устранения в пиво вводят под давлением углекислый газ, способствующий образованию пены и обеспечивающий более длительную сохранность. Затем пиво разливают в бутылки, где оно подвергается пастеризации.
Под старым замком Матуша Чака на левом берегу реки Ваг на скале выбита надпись, свидетельствующая о пребывании в конце II века легии римского императора Марка Аврелия на территории теперешней Словакии. Скала и развалины замка на ней — свидетели древней славы города Тренчин. На правом берегу реки расположен небольшой завод, принесший известность городу и в наше время. Ежедневно с его конвейера сходят деревянные ящики с надписью «Тренчинские дрожжи». Проследим их путь, начиная с заводской лаборатории.
В небольшом сосуде Ганзена в жидкой питательной среде находится культура дрожжей Saccharomyces cerevisiae. В каждой капельке среды видны под микроскопом тысячи овальных клеток. Из этого сосуда постепенным пересевом во все большие и большие сосуды дрожжи наконец попадают в большие цилиндрические емкости, называемые в производстве бродильными чанами. Там также находится питательная среда. Главный ее компонент — патока, получаемая с сахарных заводов. В патоке много примесей (до 50 %), так что добывание из нее сахара себя не оправдывает.
Кроме патоки, разведенной водой, питательная среда содержит фосфорнокислые соли, аммиак и другие необходимые для жизнедеятельности дрожжей вещества. После стерилизации жидкость в чанах охлаждают до 28 °C и засевают культурой дрожжей. При постоянно поддерживаемой температуре, непрерывном перемешивании и подаче стерильного воздуха дрожжи начинают усваивать подготовленную для них пищу. Содержащиеся в патоке сахара они разлагают на спирт и углекислый газ, вспенивающий жидкость в чанах и уходящий в атмосферу. При этом они получают энергию. Азот из аммиака, фосфор из солей фосфорной кислоты и углерод из сахаров — главные биогенные элементы, из которых клетки дрожжей образуют новую живую массу. Эта биомасса постепенно увеличивается, клетки, размножаясь, делятся на новые и новые, и по прошествии 12 ч брожение заканчивается. Дрожжи вместе с жидкостью поступают по трубам в сепараторы, где происходит их разделение — кашеобразная масса с дрожжами уходит в одном направлении, а жидкость — в другом. Из дрожжей под прессом удаляют воду и получают пекарские дрожжи — всем хорошо известную плотную, бесструктурную светлую массу.
Дрожжи Saccharomyces cerevisiae применяются и в производстве спирта. Кроме приготовления напитков, спирт используется также в качестве ценного сырья в химической промышленности. Применяется он и в медицине.
Производственный процесс получения спирта очень схож с производством пекарских дрожжей. Основное различие — в интенсивности снабжения питательной среды воздухом. При поступлении в бродящую жидкость достаточного количества воздуха происходит полное разложение сахаров на углекислый газ и воду, причем образуется обильная масса дрожжевых клеток. Если же поступление воздуха в период брожения ограничено, разложение сахаров задерживается на стадии образования спирта. Чтобы лучше уяснить себе различие между производством дрожжей и спирта, попробуем кратко охарактеризовать происходящие при этом процессы.
Патока содержит углевод сахарозу, который под влиянием ферментов дрожжей разлагается на более простые соединения — глюкозу и фруктозу. Разложение этих сахаров происходит одинаково вплоть до важного промежуточного продукта, называемого пировиноградной кислотой. Вот тут-то и появляются существенные различия в производстве дрожжей и спирта. Если в питательную среду кислород поступает в достаточном количестве, то пировиноградная кислота включается в серию химических реакций, заканчивающихся ее разложением на углекислый газ и воду, причем освобождается химическая энергия, необходимая для образования белков в клетках, — так получают дрожжи.
За исследование процесса биохимических реакций от пировиноградной кислоты до углекислого газа и воды двум английским биохимикам, Кребсу и Липмену, была присуждена Нобелевская премия. Кребс в то время заведовал кафедрой биохимии Оксфордского университета. Его коллеге Липмену мы обязаны открытием важного соединения — кофермента А, играющего решающую роль во многих жизненных процессах.
Вернемся, однако, к нашей пировиноградной кислоте и проследим ее судьбу в условиях недостатка кислорода. При помощи ферментов дрожжи прежде всего укорачивают ее молекулу до промежуточного продукта ацетальдегида, из которого далее образуется этиловый спирт. При этом освобождается значительно меньшее количество энергии, чем в производстве дрожжей. Возникает и значительно меньше дрожжевых клеток, которые вынуждены разложить большее количество сахаров. В результате образуется спирт,
В древних писаниях мы находим немало сведений о том, что люди ели хлеб, приготовленный из кислого (дрожжевого) теста, пили вино и пиво. Все это отражено и в мифологии. Греки и римляне поклонялись богу вина Дионису (Вакху), и в его честь устраивались знаменитые вакханалии. Из санскритской литературы мы знаем, что древние арийцы приготовляли пьянящий ритуальный напиток сома из перебродивших соков, а напиток сура, очень похожий на наше пиво, из пшеницы и ячменя. Греческий историк Геродот 2500 лет назад приписывал пиву божественное происхождение. Знаем мы и о том, что древние славяне варили пиво и мед.
По некоторым данным, дрожжи приготовляли и торговали ими в русских монастырях уже в XIV и XV веках. В конце XVIII века стали употреблять спрессованные дрожжи.
Жители древней Палестины имели рецепт приготовления хлеба из кислого и пресного теста.
Нужное количество дрожжей разводят в воде или молоке до белой кашицы — закваски, на которой и замешивают тесто. Клетки дрожжей преобразуют бродящие вещества в спирт и углекислый газ. Выход газов из теста затруднен; они вздувают его пузырями, и оно «поднимается». Поднявшееся тесто ставят в печь при температуре несколько сотен градусов. Газы, расширяясь в объеме, увеличивают размеры хлеба, который постепенно растет и покрывается коркой, сохраняющей его вздутую форму. От пузырьков углекислого газа и спирта в сердцевине хлеба остаются пустоты, которые делают мякиш пористым. Дрожжи в процессе выпечки разлагают часть крахмалистых и белковых веществ, делая их более доступными для ферментов, содержащихся в желудочном соке человека. Поры в сердцевине обеспечивают хорошую выпечку хлеба.
Итак, дрожжи являются одним из самых древних помощников человека в мире микробов. Хлеб, спирт, вино, пиво, белковые и витаминные препараты — все это широко известные продукты их жизнедеятельности.
Мы не упомянули здесь еще множество иных напитков, получению которых обязаны не только дрожжам, но и целому ряду других микроорганизмов. Но нельзя закончить эту главу, не подчеркнув, что использование этих продуктов жизнедеятельности микробов имеет и свою оборотную сторону, омрачающую жизнь человека.
Мы говорим об алкоголизме и его страшных последствиях. Как здесь снова не вспомнить слова Парацельса о том, что все есть яд и только доза делает яд незаметным!
В своем стремлении восполнить недостаток белковых веществ человек неоднократно обращался к микроорганизмам, которые могут получать белки из других азотсодержащих веществ и дешевых источников углерода.
В предыдущей главе мы воздали должное дрожжам, обеспечивающим нас и вкусным хлебом на столе, и приятными напитками. Еще раньше мы говорили о других грибах — богатых источниках, витаминов. А что же бактерии? Неужели они не принимают никакого участия в нашем питании?
Начнем с уксуснокислых бактерий. Прежде всего эти бактерии дают нам уксус.
Не было бы в нашем рационе ни кислой капусты, ни соленых огурцов или маринованных маслин, если бы не существовали молочнокислые бактерии. Эти бактерии живут не только в молоке. Есть среди них и специалисты по растительной пище. Сахара они преобразуют в молочную кислоту, предохраняющую маринованные овощи от действия гнилостных бактерий.
Любители югурта[42] и других напитков, приготовляемых из молока, должны с благодарностью вспоминать о бактериях. Молочнокислые бактерии превращают молочный сахар — лактозу — в молочную кислоту, придающую приятный кислый вкус напиткам и предохраняющую их от разложения. Хорошая хозяйка знает, что из кислого молока можно получить творог — концентрат молочных белков.
Мечников придавал молочнокислым бактериям огромное значение в охране здоровья и обеспечении долголетия. Основываясь во многом на богатом опыте болгар-долгожителей, у которых югурт является широко распространенным молочным продуктом, он разработал учение о продлении жизни, в котором немалую роль отводил молочнокислым бактериям. Все известные данные и собственные взгляды и соображения он изложил в книге «Этюды оптимизма» (1907), в которой подчеркивал важность питания молочнокислыми продуктами.
На Кавказе с незапамятных времен из молока приготовляли кефир, широко распространенный сейчас в Советском Союзе. В молоко вносят так называемые кефирные «зерна», содержащие молочнокислые бактерии и дрожжи. Они сбраживают сахара в молоке, преобразуя их в молочную кислоту и спирт.
На юге РСФСР и в Средней Азии распространен напиток из кобыльего молока, называемый кумысом. Он также содержит молочную кислоту и спирт, образующиеся в результате жизнедеятельности микробов.
В Восточной Азии из коровьего молока приготовляют напиток курунга, напоминающий кефир, а так называемый лебен уже сотни лет распространен в Египте, Сирии, Алжире и на острове Сардиния.
Жинчица, брынза, ощепки и пареницы[43] — всей этой пищи, без которой немыслим пастушеский быт в горах, не существовало бы, не будь у человека помощников из мира микробов.
Основа почти всех продуктов, приготовляемых в пастушеских становищах («кошах») Словакии, — овечье молоко. «Закваской» служит кусок желудка теленка. Он содержит ферменты, при помощи которых из молока осаждаются белки в виде сладковатого сыра. Отцеженная жидкость — жинчица — отличный напиток, играющий важную роль в повседневном рационе обитателей коша и столь любимый горожанами. Створоженное молоко, являющееся исходным продуктом для изготовления сыра, длительное время «выдерживают»; в этот период в нем протекают процессы, придающие сыру специфические качества и обеспечивающие длительную сохранность. В этих процессах главную роль играют молочнокислые бактерии. Вслед за ними вступают в действие пропионовокислые бактерии, превращающие молочную кислоту в пропионовую с выделением углекислого газа. В результате сыр приобретает пористость, а его белки преобразуются в аминокислоты.
Самым важным ферментом в закваске молока является реннин, который находили лишь в желудке телят, вскармливаемых молоком. Но недавно японские исследователи из Токийского университета открыли микроскопический гриб Mucor pusillusy вырабатывающий реннин, неотличимый от животного. Таким образом, появились перспективы более рационального приготовления молочнокислых продуктов.
Обработка сыра для получения брынзы также происходит при участии микробов. Но эти химические изменения тормозятся добавлением в качестве консервирующего вещества большого количества соли.
Сыры можно приготовлять из молока и другими способами. В Европе и Азии они были известны за несколько столетий до нашей эры. Греческий поэт Гомер в поэме «Одиссея» рассказывает, как одноглазый циклоп Полифем приготовлял сыр, добавляя в молоко соки кислых трав.
Самый простой из коровьих сыров — творог. Его получают из кислого молока, в котором в результате жизнедеятельности бактерий образуется молочная кислота, а из белков (казеина) выделяется кальций. Казеин, лишенный кальция, при умеренном нагревании отделяется от сыворотки.
Из творога изготовляют различные виды сыров. В их дозревании активное участие принимают микробы. Вкусовые качества сыров как раз и зависят от того, какие микроорганизмы играют ведущую роль при их созревании. Почти в каждой стране имеется свой специфический сыр. Родина эмментальского сыра — Швейцария, в Голландии изготовляют известный эдамский сыр, Италия славится своим пармезаном, в Болгарии производят знаменитый кашкавал.
Франция — производитель известных сыров, получаемых при помощи микроскопических грибов. На юге страны уже почти 1000 лет изготовляют из овечьего молока сыр рокфор. В районе Рокфора разводят высокоудойных овец, а сыр производят на небольших местных заводах. Предварительно выращивают хорошо растущий на хлебе плесневый гриб Penicillium roqueforti. Хлеб размельчают и хранят во влажном и холодном месте. Творог закладывают в формы и посыпают крошками такого хлеба. В сыре, который выдерживают в высеченных в скалах погребах, гриб разрастается и проникает до самой его сердцевины. Другой известный французский сыр — камамбер. Для его созревания используется гриб Penicillium camemberti. Французы — большие знатоки и любители сыров. Президенту Ш. де Голлю приписывают такие слова: «Трудно управлять страной, в которой потребляется свыше трехсот разных сортов сыра!» (фиг. IX).
В начале нашей эры на Земле насчитывалось около 250 миллионов человек. За последующие 1600 лет число их приблизительно удвоилось. Дальнейшее удвоение населения наступило спустя всего лишь 200 лет. Начиная с 1800 года только за 150 лет количество людей ра планете увеличилось втрое. Для увеличения нынешнего населения в 2 раза потребуется, по некоторым расчетам, неполных 40 лет.
В связи с этим возникает серьезный вопрос — будет ли обеспечено продуктами питания все увеличивающееся население Земли? Не следует забывать, что сегодня 2/3 человечества терпит недостаток в тех или иных продуктах питания.
Важную роль в борьбе с голодом играет и будет играть микробиология, поскольку микробы можно использовать для получения дешевых кормов и продуктов питания для человека. Многие микроорганизмы очень неприхотливы в питании, для их промышленного выращивания могут быть использованы отходы сельского хозяйства и промышленности. Поскольку микроорганизмы размножаются очень быстро, с их помощью можно получать белки, жиры и витамины за значительно более короткий срок, чем при выращивании сельскохозяйственных растений или разведении домашних животных.
Вот уже несколько десятилетий известен дрожжевой организм Torulopsis atills (фото 70). Для его промышленного выращивания могут быть использованы патока, сульфитные щелока с целлюлозных заводов и другие отходы микробиологической промышленности. При росте и размножении в клетках Т. utilis накапливаются белки и витамины, полученные из очень дешевых питательных веществ. Каждый килограмм сухой биомассы этого гриба содержит 500 г белков, 50 г жиров и 0,5 г витаминов. До сих пор на целлюлозных предприятиях мы теряем огромное количество питательных веществ в сульфитных щелоках, спускаемых чаще всего в реки, где они, кстати, отнюдь не благоприятствуют ведению рыбного хозяйства. В мировом масштабе из сульфитных щелоков можно было бы при помощи гриба Т. utills получать по крайней мере миллион тонн высококачественных кормов.
В Финляндии белки получают из сульфитных щелоков так называемым методом «пекило», который заключается в непрерывном выращивании микроскопических грибов в специальных ферментёрах. Получаемый продукт чрезвычайно ценен по своему составу, поскольку содержит аминокислоты и витамины. Используется как высококачественная замена импортируемой соевой и рыбной муки и как отличная добавка к кормам в животноводстве.
Сульфитные щелока могут быть использованы и при микробиологическом получении жиров. Некоторые микроорганизмы откладывают в своих клетках большое количество жиров, иногда до четверти веса сухой массы. Эти жиры по качеству сравнимы с лучшими растительными маслами, что позволяет использовать их в пищевой промышленности.
Микробиологи предпринимают попытки пополнить нашу пищу грибами, которые мы могли бы получать не только в лесах. Некоторые грибы удается культивировать промышленным способом, сходным с производством дрожжей. По внешнему виду искусственно выращиваемые грибы отличаются от лесных, но по своей питательной ценности не уступают последним. В некоторых странах уже выращивают таким образом шампиньоны и пытаются наладить производство и других грибов.
Не менее ценным источником пищевых продуктов и кормов в будущем должны стать зеленые водоросли. Из них будут получать дешевые белки, жиры и витамины. Для их выращивания можно использовать водохранилища, а неплодородные участки, годные к затоплению, превратить в «водорослевые нивы». Выход белка из водоросли хлореллы (Chlorella vulgaris), которую выращивали в водоемах Японии, достиг 15 725 кг на 1 га в год. Такая же площадь травяного покрова дает лишь 673 кг белков, посевы арахиса — 471 кг, а при скармливании скоту трав с 1 га получают 101 кг белков в молоке и 61 кг в мясе.
Кроме сельскохозяйственного способа культивирования водорослей, распространено и их промышленное производство. С этой целью они выращиваются в больших емкостях, снабженных необходимыми источниками света и устройствами для подведения углекислого газа, который обеспечивает процесс фотосинтеза.
Возможно и другое использование водорослей. Советский ученый В. Н. Грезе из Института биологии южных морей в Севастополе подсчитал, что из Черного моря ежегодно можно добывать до 800 000 т красных водорослей для получения агара и других веществ, необходимых в медицинской и пищевой промышленности.
Уже долгое время обсуждался вопрос о том, как использовать микроорганизмы, питающиеся составными частями нефти. Известно, что клетки этих микробов содержат, помимо белков, витамины из группы В и каротины, преобразующиеся в организме животных в витамин А. Группа микробиологов из одной английской нефтяной компании выделила культуру микробов, использующих в качестве источника углеродного питания некоторые компоненты сырой нефти и синтезирующих при этом большое количество белков. Если применять питательную среду, которая содержит, помимо соответствующего компонента сырой нефти, еще и азотные вещества с минеральными солями, необходимыми для питания микробов, то выращиваемые в ней микробы будут очень интенсивно разлагать нефтяные продукты и синтезировать белки. По имеющимся данным, с каждой тонны углеводородов можно получать таким путем до тонны белков. Интересно, что эти микробы потребляют как раз такие составные части сырой нефти, которые до сих пор практически не использовались и являются очень дешевым сырьем. По некоторым расчетам, менее 1 % обрабатываемой в настоящее время в мире сырой нефти хватило бы на возмещение недостатка пищевых продуктов на всей планете. Исследователи сравнивали кормовые дрожжи, полученные таким способом, с рыбной и соевой мукой, скармливаемыми домашней птице, и получили очень обнадеживающие результаты. Дрожжи из углеводородов получаются на французских заводах недалеко от Марселя, где размещаются предприятия по очистке нефти. По официальным данным, в Японии за одно полугодие 1970 года намечалось получить из углеводородов четыре с половиной миллиона тонн белковых кормовых веществ. Очень интенсивные опыты в этом направлении проводятся в Чехословакии.
Японские микробиологи в 50-е годы обратили внимание на другую важную роль бактерий. Они выделили микробы, продуцирующие аминокислоты, которые можно было бы использовать для повышения качества пищевых продуктов или как добавку к кормам домашних животных. Первой аминокислотой, которую стали получать таким путем в промышленном масштабе, была глютаминовая кислота. Несколько позднее началось производство лизина, принадлежащего к группе так называемых незаменимых аминокислот. Эти аминокислоты — совершенно необходимые, действительно незаменимые компоненты в питании человека. Лизин, вырабатываемый при помощи микробов, может быть использован для повышения качества менее ценных белков. Его получают и на чехословацких предприятиях микробиологической промышленности. Число получаемых с помощью микробов незаменимых аминокислот все время растет. Так, в Японии уже в 1970 году планировалось производство ряда аминокислот (таблица 14).
Бактерии вырабатывают аминокислоты очень эффективным методом. Своеобразный синтез этих веществ происходит в желудке жвачных, если в корм добавить сравнительно дешевое химическое соединение — мочевину (или карбамид).
Бактерии освобождают из этого вещества аммиак, необходимый другим бактериям для получения аминокислот из соединений, образующихся из целлюлозы в желудке хозяина.
В Великобритании пытались выделить бактерии из организма жвачных и культивировать их в лаборатории, с тем чтобы найти пути получения других белков или аминокислот. Но оказалось, что подкормка скота мочевиной — значительно более эффективный способ. Руководивший этими экспериментами П. Н. Хобсон, один из ведущих микробиологов, так оценивает эту работу: «Можно прислушиваться к различным точкам зрения, однако рациональнее всего оставить бактерии в рубце жвачных, где они служат источником белков для питания человека».
Антибиотики являются одним из важных средств для создания пищевых запасов. Некоторые из них оказывают важные услуги в борьбе с микробами — вредителями растений. В животноводстве они служат лечебными средствами при инфекционных болезнях домашних животных и, таким образом, косвенно способствуют более полному обеспечению человека продуктами питания.
Кроме того, антибиотики применяются и как средство, повышающее качество кормов. Несколько граммов хлортетрациклина (в Чехословакии используют препарат ауреовит) на 1 т кормов повышает у молодых животных вес до 20 %. Добавление антибиотиков способствует лучшему усвоению кормов, что лает возможность снизить рацион животных на 1 кг живого веса. Ауреовит содержит, помимо всего прочего, и витамин В12.
Хорошую службу оказывают антибиотики и при кратковременной консервации некоторых продуктов. Антибиотик низин применяется при хранении молока в сыродельной промышленности. Замораживая рыбу, достаточно добавить 2–8 мг хлортетрациклина на 1 кг льда (всего несколько тысячных долей процента), чтобы рыба сохранялась на 7—10 дней дольше. Антибиотики помогают сохранять свиное, говяжье и птичье мясо.
Многие ученые считают, однако, что в подобных случаях следует использовать лишь такие виды антибиотиков, которые не применяются в медицине. К этому их побуждает опасение возможного распространения устойчивых к антибиотикам микробов.
В пятой части нашего путешествия в страну микробов мы познакомились с инсектицидами, при помощи которых человек ведет борьбу с насекомыми — переносчиками болезнетворных микробов, а также с вредителями культурных растений. Но у насекомых есть враги и из мира микробов. Ученых давно привлекала мысль использовать эти «живые инсектициды» для борьбы с вредными насекомыми.
Мечников в 1879 году провел очень интересный эксперимент. Введя в почву споры болезнетворных микробов, он инфицировал личинки насекомых-вредителей (опыт проводился в цветочном горшке). Успешные результаты навели на мысль о широком использовании этих микробов. Через некоторое время И. М. Красильщик основал при Одесском университете специальную лабораторию для выращивания микроскопических грибов, которые могут уничтожать личинки вредителей пшеницы. Так началась история «живых инсектицидов».
В первой половине нашего века эти интересные исследования продолжили другие ученые. При этом были открыты несколько видов микроорганизмов, вызывающих инфекционные заболевания и гибель вредных и опасных насекомых.
Эксперименты по искусственному заражению личинок вредителей давали, как правило, прекрасные результаты. Но при проведении полевых опытов и внедрении метода живых инсектицидов в широкую практику пришлось столкнуться с большими трудностями. Полевые условия предъявили к такого рода живым инсектицидам ряд строгих требований. Культура микроба должна быть высоковирулентной, иначе говоря, даже очень малое число индивидов должно вызывать в теле насекомого инфекцию. Микроорганизм должен иметь в своем жизненном цикле период покоя, когда он не размножается и, не теряя своих вирулентных свойств, хорошо переносит неблагоприятные условия внешней среды (действие ультрафиолетовых лучей, низкую влажность и др.). С такими условиями микроорганизму приходится сталкиваться, например, при опрыскивании микробами деревьев или полевых культур.
Несмотря на эти трудности, были достигнуты определенные успехи. О некоторых случаях применения живых инсектицидов хотелось бы рассказать.
У японского жука (Popillia japonica) известна молочная болезнь, вызываемая бактерией Bacillus popilliae. Для жизненного цикла этой бациллы, как и других бацилл, характерен период спорообразования. Споры хорошо переносят некоторые неблагоприятные внешние условия и через определенный промежуток времени прорастают, превратившись в растущие и размножающиеся вегетативные клетки. Споры микробов В. popilliae распространены в почве, оттуда с пищей они попадают в пищеварительный тракт личинок японского жука. Там споры прорастают, вегетативные клетки бактерий распространяются по всему организму, и личинка через некоторое время погибает. Но в мертвом насекомом снова начинается спорообразование бациллы, и тела личинок становятся опасным источником инфекции. В довоенные годы в США, Австралии и Новой Зеландии благодаря живым инсектицидам были достигнуты хорошие результаты[44].
К числу опасных вредителей полевых культур в Калифорнии относится гусеница, уничтожающая урожай люцерны. Группе сотрудников Калифорнийского университета удалось получить вирус, вызывающий инфекционное заболевание гусениц. В природе этот вирус проявляет свое губительное действие лишь в конце лета, когда гусеницы уже завершают свою вредоносную деятельность. Опрыскивая посевы люцерны вирусной культурой еще в весенние месяцы, можно своевременно уничтожить опасного вредителя и сохранить урожай.
Вирус легко размножается в организме гусениц, образуя множество телец кристаллического типа. После размножения вируса гусеница погибает. Мертвых гусениц высушивают и сохраняют до момента применения; тогда их растирают в порошок и засыпают в сосуд с водой. По имеющимся данным, на 1 га посевов достаточно вирусов, полученных из 12 гусениц. Небезынтересно отметить, что если порошок высушенной гусеницы развести 40 л воды, то в одной чайной ложке суспензии будет содержаться до 20 миллионов кристалликов, а в каждом из них — по нескольку сотен вирусных частиц. Опрыскивание посевов люцерны такой суспензией очень эффективно.
В последние годы немало надежд возлагали на другой живой инсектицид, известный в Чехословакии как турицид. Название этого организма — Bacillus thuringiensis — происходит от названия области (Земля Тюрингия, где 50 лет назад микробиолог Берлинер открыл эту бактерию). Родовое название Bacillus показывает, что мы и здесь имеем дело с микробом, образующим споры. Любопытным свойством этого микроба является то, что одновременно со спорами в его клетках возникают и кристаллические образования (так называемые параспоры), содержащие очень ядовитый токсин (фото 71). Такая клетка с параспорами, попав в пищеварительный тракт насекомого, вызывает его немедленную гибель. Этот токсин белковой природы, в нем обнаружили 17 аминокислот.
Препарат турицид получают, культивируя в промышленном масштабе В. thuringiensis. Микробы быстро размножаются в жидкой питательной среде, и на определенной стадии начинается спорообразование. При этом в клетках продуцируются кристаллы токсина. Питательная среда вместе с культурой микроба и его спорами соответствующим способом концентрируется до известного уровня, и препарат готов к употреблению. Он применяется в виде суспензии, которой опрыскивают полевые культуры, защищая их таким путем от насекомых-вредителей. Токсин действует на слизистую оболочку пищеварительного тракта личинки насекомого. Если вместе с кристалликами токсина личинка проглотит и споры В. thuringiensis, то последние начнут прорастать на поврежденной слизистой оболочке, продуцируя вегетативные клетки, которые быстро размножаются в теле жертвы, и личинка погибает.
В Чехословакии турицид вырабатывается в количествах, достаточных для его применения в промышленных масштабах. Много работают над внедрением этого препарата в практику и в других странах. На фото 72 представлены результаты применения турицида в овощеводстве.
Среди микробиологов не так уж много ученых, которые, проявляя интерес к тому, что делают полезные микробы, контролировали бы и направляли их деятельность на пользу человека.
Мы уже знаем, что ферменты — это биологические катализаторы, то есть вещества, способствующие осуществлению многих химических реакций, которые-происходят в живой клетке и необходимы для получения питательных веществ и построения ее составных частей. Микробы тоже образуют ферменты. Все продукты жизнедеятельности микробов, о которых здесь говорилось, могут возникать только при непосредственном участии ферментов. По данным энзимологии — науки, изучающей ферменты, — эти биокатализаторы можно различными методами выделять из клеток, причем они не теряют своей химической активности. Мы знаем также, что их действие строго специфично, то есть при одинаковых условиях определенный фермент будет вызывать всегда одну и ту же химическую реакцию.
Было высказано предположение, что определенного фермента у некоторых микробов выделяется больше, чем у других, соответствующие исследования подтвердили справедливость этого предположения. Ферменты, полученные из микробов, используются в практике уже давно — почти с тех пор, как стало известно об их природе и назначении. Восточные народы издавна употребляли ферменты микробов для различных целей, в частности для приготовления спиртных напитков.
Примеры использования ферментов из микроорганизмов в современном здравоохранении приведены в 21-й главе. Однако это далеко не все.
Японский ученый Такамине (конец XIX — начало XX века) был пионером в получении ферментов из микроскопических грибов и указывал на возможность их промышленного производства. Несколько позднее производством бактериальных ферментов занялись французские исследователи. Ферменты, полученные из растений и животных, уже тогда применяли в самых различных отраслях промышленности. Так, например, из растений добывали амилазу, образующуюся в прорастающем семени ячменя и способствующую разложению крахмала на простые углеводы. Ферменты микробного происхождения постепенно вытеснили растительные и животные ферменты, поскольку их получение оказалось более выгодным. В наше время многие ферменты бактерий, дрожжей и микроскопических грибов получают в промышленных масштабах. Они все чаще используются в пищевой и фармацевтической промышленности, в медицине, а также в производстве тканей, бумаги и при выделке кож.
Амилазы, разлагающие сложный полисахарид крахмал на более простые вещества — декстрины, мальтозу и глюкозу, можно использовать в процессах, где необходимо разложение крахмала. В частности, бактериальные амилазы применяются в текстильной промышленности для устранения крахмальной шлихты с тканей, в бумажной промышленности они идут на приготовление крахмальных растворов для окрашивания. В последнее время их используют и в пивоварении, в связи с чем отпадает процесс приготовления солода, поскольку крахмал из ячменных зерен превращается в сусло при помощи бактериальных амилаз. Амилазы из микроскопических грибов применяются для получения спирта при осахаривании крахмала, выделяемого из картофеля или зерна. Охотно используют их в хлебопекарном деле и на сахарных заводах, а также в производстве шоколада и ликеров.
Лактаза, выделяемая из дрожжей, разлагает углевод лактозу на глюкозу и галактозу. Она применяется в изготовлении консервированного молока — благодаря частичному разложению лактозы предотвращается образование нежелательных кристалликов.
Протеазы микробного происхождения вызывают разложение белков в различных материалах. На Востоке протеазы из плесневых грибов применяли уже несколько столетий назад для приготовления соевого соуса. Соевые бобы после обработки инфицируют спорами гриба Aspergillus flavus-oryzae. Разрастаясь, гриб выделяет протеазы, растворяющие белок бобов, что позволяет получать полужидкий соус.
При консервировании фруктовых соков применяется фермент пектиназа, выделяемый из микроорганизмов.
Протеазы с успехом используют при изготовлении моющих средств. Хотя новейшие стиральные порошки, так называемые детергенты, очень эффективно устраняют самые разнообразные виды загрязнений, они часто не действуют на вещества белковой природы, такие, как кровь, молоко, белок яйца и т. д. Молекулы белков очень прочно закрепляются на тканях и противостоят действию детергентов. В 1960 году в Дании стали применять протеолитический (растворяющий белки) фермент алкалазу, продуцируемый бактерией Bacillus subtilis. Спустя три года в Голландии выпустили стиральный порошок биотекс, содержащий алкалазу. С тех пор во многих странах в моющие средства стали добавлять протеолитические ферменты. Полностью очистить ткань от белковых веществ детергенту помогают ферменты, получаемые из микробов.
Это только несколько примеров применения ферментов микробного происхождения. Специалисты предсказывают еще более широкое использование их в различных отраслях хозяйства.
Мы уже знаем о многих областях применения микробов в химии. Знаем, что осуществляемые микробами реакции синтеза превосходят чисто химические реакции. Клетки микроорганизмов создают сложнейшие соединения, о получении которых химики зачастую и не мечтают. Изготовление некоторых из этих веществ химическим путем нередко является очень дорогостоящим и трудоемким предприятием.
Вспомним антибиотики, витамины, ферменты, стероиды, алкалоиды, а также микробные токсины (самые ядовитые из всех ядов) или нуклеиновые кислоты. Какими неисчерпаемыми возможностями синтеза обладают клетки микробов!
Некоторые уксуснокислые бактерии способны образовывать пленки из чистой целлюлозы. На сахарной свекле встречаются бактерии, особым способом преобразующие находящуюся в ней сахарозу. Из каждой ее молекулы они берут только глюкозную половину и из тысяч таких фрагментов синтезируют полисахарид декстран. На сахарных заводах очень не любят эти бактерии, так как они снижают выход сахаров из свеклы. Но химики с помощью микробиологов разгадали «производственные тайны» микробов, синтезирующих декстран, и заставили их вырабатывать это вещество в промышленных условиях, как это в свое время было сделано с продуцентами антибиотиков. Производство декстрана пока не очень распространено, но имеет большое значение, так как особым способом обработанный декстран может служить заменителем кровяной плазмы. Из декстрана получают также очень ценное соединение, используемое в биохимических исследованиях при очистке и анализах сложных веществ.
При помощи микробов получают красящее вещество индиго. Химики с удивлением и даже с чувством зависти наблюдают за синтетической активностью микробов, стараясь использовать ее для своих целей.
Но мы не раз встречались и с разлагающей химической деятельностью микробов. Тут имеется в виду не только изготовление спиртных напитков. Одна из первых научных работ Пастера посвящена наблюдениям над грибом Penicillium glaucum, способным участвовать в разделении оптически активных веществ. Пастер доказал существование в выделяемой грибом винной кислоте кристаллов, по-разному преломляющих поляризованный свет (правовращающих и левовращающих), что связано с различным расположением атомов в их молекулах. Пастер предсказал и значение микроскопических грибов в будущем: придет день, говорил он, когда их будут использовать в разнообразнейших промышленных процессах, так как они способны разлагать органические вещества.
Ван Тигем, ученик Пастера, был одним из первых, кто доказал справедливость этого предсказания. Он установил, что гриб Aspergillusniger усваивает галловую кислоту, необходимую для приготовления некоторых красящих веществ. Из нее же можно получить и дерматол, заменитель йодоформа.
В начале первой мировой войны химики попытались получить лимонную кислоту с помощью микробов. Когда-то ее получали только из лимонов, хотя встречается она и в соке других плодов. В 1922 году Италия производила 90 % мировой продукции этой кислоты. Но начиная с 1927 года экспорт лимонной кислоты из Италии стал резко сокращаться. Виной тому были микробиологи, которые совместно с химиками установили, что хорошим производителем лимонной кислоты может быть гриб A. niger. В 1923 году было пущено первое предприятие по производству лимонной кислоты при помощи гриба, в связи с чем цены на нее упали на 75 %. Современный завод по производству лимонной кислоты без преувеличения можно назвать самой крупной «плантацией цитрусовых». Чтобы дать столько кислоты, сколько получают сегодня из дешевой мелассы при помощи столь «покладистого» помощника, каким является гриб A. niger, потребовались бы тысячи гектаров плантаций лимонов.
Интенсивно выделяется многими микроскопическими грибами, особенно A. niger, и другое важное вещество — глюконовая кислота. Мы знаем, что кальций является важным структурным элементом нашего организма. Его недостаток отмечается обычно у детей и беременных женщин. В соединении с глюконовой кислотой кальций легко усваивается организмом, поэтому применяется как лечебный препарат.
Итаконовая кислота, также вырабатываемая микроскопическими грибами, находит широкое применение в производстве пластмасс.
На разлагающей способности бактерий основаны также производства многих других химических продуктов. Молочнокислые бактерии используются не только при обработке молока. Их применяют также в промышленном производстве молочной кислоты из менее ценного сырья — мелассы, сыворотки, сульфитных щелоков. Молочная кислота применяется в пищевой и медицинской промышленности, а также в одной из новейших отраслей химической промышленности — в производстве пластмасс.
Маслянокислые бактерии, присутствие которых в несвежем масле или сырах можно установить по неприятному запаху, используются в промышленном производстве масляной кислоты. Кроме того, они применяются и в микробиологическом производстве редких растворителей: этилового, бутилового и амилового спиртов. Все эти вещества играют важную роль в производстве синтетического каучука. Бутиловый спирт служит основой при получении октана — очень ценного вещества, повышающего качество бензина. В современных самолетах используется лишь этот высококачественный бензин.
Во время первой мировой войны Великобритания ощущала недостаток ацетона для производства взрывчатых веществ. И только новый метод его получения вывел страну из критического положения. Бактерии вида Aerobacter aerogenes помогли некоторым странам создать новые отрасли промышленности, вырабатывающей вещество под названием «бутиленгликоль». Сравнительно простым химическим превращением из бутиленгликоля получают диацетат. И уже из него при нагревании до 600 °C образуется бутадиен, являющийся основным сырьем для производства синтетического каучука.
Аналитическая химия использует ценные свойства микроорганизмов при определении различных соединений. Один из самых старых методов — метод определения мышьяка. Еще в начале нашего века отмечались смертельные случаи отравления в помещениях, в которых чувствовался сильный запах чеснока. Все это объяснялось тем, что обои в этих комнатах были окрашены красками, содержащими мышьяк, а по их поверхности распространялась плесень. Как показали опыты, проведенные в 1891 году Госсио, отравления были вызваны именно этой плесенью, которая получила название Penicillium brevicaule, Госсио доказал, что из краски, покрывающей обои, под влиянием плесени выделяется содержащийся в ней мышьяк, который при этом превращается в летучее соединение с запахом чеснока. Позднее было установлено, что «газ Госсио», как было названо это летучее вещество, является органическим соединением триметиларсин.
Госсио разработал очень тонкий метод определения присутствия мышьяка в различных материалах. Исследуемый материал обрабатывался разбавленной кислотой, что позволяло получить концентрированную вытяжку. Несколько капель этого экстракта наносили на стерилизованный кусочек картофельного клубня с выращенным на нем грибом P. brevicaule. Присутствие мышьяка обнаруживали по характерному чесночному запаху, который издает триметиларсин. Так этот ранее опасный микроскопический гриб превратился в помощника химика.
В 1935 году исследователь Шопфер показал, что гриб Phycomyces blakes-leeanus требует для своего роста и размножения витамина В1. Ученый разработал метод определения этого витамина в различных биологических материалах при помощи вышеупомянутого гриба. Содержание витамина находится в прямой зависимости от количества живой массы гриба и поэтому довольно легко определяется. В настоящее время при помощи микробов обнаруживают содержание и ряда других витаминов. В таблице 15 приведено несколько самых известных «помощников» в аналитической химии. В ней указаны и микроорганизмы, используемые для определения аминокислот и микроэлементов.
Во всех случаях для определения отдельных соединений применяются микробы, жизнедеятельность которых находится в прямой зависимости от концентрации определяемых соединений в питательной среде.
К другим важным «услугам» микробов, используемых в аналитической химии, следует отнести помощь в определении антибиотиков. Но тут можно использовать только такие микроорганизмы, которые под действием данного антибиотика или погибают, или прекращают свой рост. Этот метод был предложен Н. Г. Хитли, занимавшимся получением пенициллина. Естественно, что он пытался определить пенициллин в фильтратах культуры гриба Peniclllium notation.
Микробы находились и у самой колыбели текстильной промышленности. Замоченные волокна прядильных растений (лен, конопля, джут и др.) очищали с помощью бактерий и грибов, которые разлагали пектиновые вещества.
Замачивание и росяная мочка прядильных растений были известны еще древним народам. Египтяне замачивали растения в теплой воде Нила. В Европе применяли два метода: коноплю замачивали в стоячей воде в специальных корытах, а лен расстилали на лугу, где он увлажнялся росой.
Какова же роль микробов в этих процессах? При замачивании в стоячей воде, с очень малым притоком кислорода, пектин и клетчатку разлагают различные анаэробные бактерии. При росяной мочке льна с открытым доступом кислорода главную роль в разложении играют микроскопические грибы.
Эти древние народные методы в настоящее время заменяют промышленной обработкой прядильных растений. Стебли лубяных растений замачивают при оптимальной температуре в больших чанах, куда добавляют культуры бактерий Clostridium felsineum или Plectridium pectinovorum. При температуре около 37 °C процесс вымачивания заканчивается уже через 50 ч — значительно более короткий срок, чем при росяной мочке. Но как бы этот процесс ни осуществлялся, он не обходится без деятельного участия микробов.
С развитием цивилизации и прогрессом связано много серьезных проблем. Водопровод стал неотъемлемым атрибутом нашего повседневного быта, способствующим не только удобству жизни, но и охране здоровья. Благодаря ему мы получаем воду для домашних нужд, он же помогает освободиться от продуктов отхода. Но именно сточные воды и являются одной из серьезнейших проблем современной жизни, не всюду рационально решенных. Если принять во внимание, сколько сточных вод сбрасывают только промышленные предприятия, то можно понять ту серьезную озабоченность, которую проявляют работники водного хозяйства. Без помощи микроорганизмов едва ли удастся решить проблему сточных вод.
Разложение органических соединений в сточных водах могли бы обеспечить бактерии, которые служат пищей для простейших и микроскопических организмов. Разложившейся органической массой в сточных водах питаются водоросли. Сами водоросли и простейшие — пища веслоногих и других мелких животных, а те в свою очередь служат пищей для рыб. Все это представляет собой единый непрерывный биологический цикл.
Микробы активно содействуют очистке вод. Но их можно использовать и более эффективно. Сточные воды содержат вещества, которые в процессе разложения микробами дают ценное сырье. Одно из таких веществ — метан. Метан-образующие бактерии постоянно обитают в сточных водах. В больших бассейнах, где осуществляется разложение органических соединений сточных вод и образуется метан, его можно улавливать и использовать в качестве высококалорийного топлива.
Микробы хорошо разлагают и промышленные отходы, часто загрязняющие реки в результате неправильной организации производства. Сульфитные щелока, огромное количество которых сбрасывается в реки целлюлозоперерабатывающими предприятиями и отравляет жизненную среду обитателей вод, могут служить и уже служат дешевым сырьем для производства кормовых дрожжей и спирта.
Микробы в роли стражей здоровья устраняют из сточных вод большие количества вредных органических соединений, из которых, как мы видели, в процессе разложения возникают многие ценные вещества, такие, как, например, метан. Попутно при разложении освобождается и водород, который может быть использован как источник калорийного топлива. Использование промышленных отходов при помощи микроорганизмов имеет в наше время большое народнохозяйственное значение, которое, несомненно, еще больше возрастет в будущем.
Многие вопросы применения L-аспарагиназы для лечения подобных заболеваний не ясны и требуют дальнейших исследований. — Прим. ред.
Гомер, «Илиада», изд-во «Художественная литература», М., 1967, стр. 321.— Прим. ред.
Югурт — похожий на кефир молочнокислый напиток. — Прим. перев.
Жинчица — напиток из овечьего молока, напоминает кавказский айран; ощепки — вид копченого сыра, по форме напоминающий небольшую дыню; пареницы — плавленый сыр, изготовляющийся в виде толстых макарон, часто сплетаемых в «косички». Все это характерно для горных мест Словакии. — Прим. перев.
Биологическим методам борьбы с вредными насекомыми, несомненно, принадлежит будущее, поскольку микробиологические препараты не нарушают естественные биоценозы, не загрязняют биосферу и не представляют опасности для человека. — Прим. ред.