Чтобы увеличить производство мяса, скот надо хорошо кормить. Это аксиома. Но что значит хорошо кормить? Давать овса вволю? А что значит вволю? Сколько это, если говорить языком цифр?
Оказывается, на получение одной тонны мяса требуется примерно 8 тонн зерна. Зерно — наиболее питательный растительный корм, и тем не менее такое вот соотношение — один к девяти. Дело в том, что большая часть корма не усваивается организмом: животное ест, можно сказать, автоматически зерно до тех пор, пока в организме не накопится необходимое количество определенных веществ — аминокислот. Аминокислоты — своеобразные «кирпичики», из которых состоят белки, а без белков невозможен обмен веществ, а значит, невозможна жизнедеятельность организма.
В природе около 20 типов аминокислот. Большую часть из них вырабатывают из глюкозы сами клетки живого организма. Но четыре аминокислоты: лизин, метионин, треонин и триптофан (их называют лимитирующими) — организм должен получать в готовом виде вместе с пищей. И никаким другим веществом их не заменишь.
А они необходимы: ведь если ввести в рацион нужное количество аминокислот, то усвоится пища значительно легче, полнее, а значит — это путь к увеличению производства мяса и одновременно к экономии кормов.
В нашей стране налажено промышленное производство лизина и метионина для нужд животноводства. Но выпуск двух аминокислот — треонина и триптофана — в больших объемах вообще в мире еще не начат. Химический способ получения этих аминокислот для нужд фармацевтической промышленности крайне дорог и непроизводителен.
Ученые Всесоюзного научно-исследовательского института генетики и селекции промышленных микроорганизмов предложили новый дешевый метод получения треонина.
Вот что рассказал об этом в беседе с нашим корреспондентом В. Беловым директор НИИ генетики и селекции промышленных микроорганизмов доктор биологических наук, профессор В. Г. ДЕБАБОВ.
— Нам удалось получить треонин в промышленных установках. Для этого использовали бактерию — обыкновенную кишечную палочку, которая обладает свойствами синтезировать эту аминокислоту из глюкозы Но такой микроорганизм, существующий в природе, очень «скуп» и производит треонина лишь столько, сколько необходимо самому для жизни. Мы заставили бактерию работать сверх нормы. Но, прежде чем рассказывать, как это удалось сделать, давайте разберемся в строении клетки бактерии. В отличие от высших организмов клетки бактерий устроены проще. У них нет ядра, а есть только оболочка и цитоплазма.
И прямо в этой цитоплазме плавает хромосома, которая представляет собой очень сложную большую молекулу. Называется она дезоксирибонуклеиновая кислота, или сокращенно ДНК В ней-то и хранится информация о наследственных признаках организма, а значит, там заложена и эта «скупость» бактерии. В хромосоме умещается примерно пять тысяч генов, ответственных за тот или иной наследуемый признак, в том числе и гены, ответственные за производство треонина. Так устроена обычная клетка бактерии.
Клетки устроены так, что большая хромосома может нести не более пяти тысяч генов. Они обеспечивают передачу наследственности для выживания микроорганизма в нормальных условиях. Но бактерии могут попасть в какие-то необычные условия, грозящие им гибелью. Природа распорядилась очень разумно, застраховав себя от случайностей. На всякий случай одна клетка из миллиона имеет еще и дополнительные маленькие хромосомы, так называемые мини-хромосомы. Они устроены так же, как и большая хромосома, но несут значительно меньше генов: от пяти до ста. Без этих мини-хромосом такая уникальная клетка может свободно жить, их можно удалять безболезненно для бактерии. Но гены, размещенные в мини-хромосомах, передают микроорганизму дополнительные свойства: например, устойчивость к лекарствам, агрессивным средам, обучают бактерии выживать в экстремальных, самых неожиданных ситуациях. Самое важное, что в этой клетке 30 мини-хромосом, и все они копии друг друга. Причем достаточно внести изменения в одну из тридцати, как все остальные повторят его. Это свойство мы и решили использовать. Мы «прооперировали» кишечную палочку и получили не встречающийся в природе микроорганизм.
Нам удалось выделить из большой хромосомы гены, ответственные за производство треонина, и «вшить» их в мини-хромосомы, которые, как говорилось, в отличие от большой хромосомы представлены в клетках в 30 копиях. А это значит, что ген, «вшитый» в мини-хромосому, также представлен в 30 копиях и синтезирует треонина в 30 раз больше, чем нужно самой бактерии. Так мы решили проблему «сверхпроизводства».
Но какими инструментами удалось «прооперировать» практически невидимую бактерию? Как среди миллионов клеток отыскали те, в которых есть необходимые мини-хромосомы?
Конечно же, невозможно найти скальпель, чтобы прооперировать микроорганизм, в сравнении с которым маковое зерно — планета. Операция была биохимической и проходила не на хирургическом столе, а в пробирке. Схематично она выглядела так. Бактерии обработали специальными ферментами — биологическими катализаторами. Они словно скальпели разрушили оболочки клеток и разделили ДНК на фрагменты по 50—60 генов. Получилась густая масса. Чтобы выделить фрагменты ДНК хромосом в чистом виде, эту массу смешали с фенолом. Фенол «подобрал» осколки клеточных оболочек, то есть весь ненужный «мусор». А так как удельный вес этого фенольного сгустка больше удельного веса ДНК, то на обычной центрифуге несложно было отделить ДНК. В конце концов получился раствор, в котором плавали куски хромосом — фрагменты. Часть из иих новой партией ферментов была разделена на кусочки по 4—5 генов. С ними биохирургу работать удобнее.
Теперь в ход опять пустили биоскальпель — ферменты, но такие, которые могут распознать гены, ответственные за производство треонина. Ферменты выбрали нужные хромосомы и «вырезали» из них отдельные гены, причем так искусно, что у каждого гена остались его липкие кончики — своеобразные присоски, которыми он сцепляется с другими генами.
Подобным, но более сложным способом в другой пробирке обработали мини-хромосомы. Фермент разорвал кольцо мини-хромосомы, и у нее тоже образовались липкие кончики.
Затем оба раствора смешали.
Начавшийся вслед за этим процесс, к сожалению, пока неуправляем и идет в пробирке, можно сказать, хаотически. И возможны самые разные биохимические превращения. Скажем, гены могут склеиться друг с другом и образовать как бы ниточку. Фрагменты хромосом могут соединяться и образовывать новую хромосому, возрождаются клетки, растут новые микроорганизмы — целые колонии микроорганизмов. Но происходит и самое главное, то, что нам требуется: «вырезанный» из хромосомы ген, который отвечает за производство нужной аминокислоты — треонина, присоединяется в это время к мини-хромосоме, как бы «вшивается» в нее. Это шитье пока дело случая (хотя ожидаемого). На рисунке вы видите условную схему операции.
Итак, в огромных колониях, насчитывающих миллионы бактерий, теперь есть мини-хромосомы, в которые встроены гены, нужные нам. Уже «работают» в нескольких из восстановленных микроорганизмов — в бактериях. Нужно выделить считанные бактерии с «прооперированной» мини-хромосомой. Задача эта примерно такая же, как если бы мы захотели выделить какие-то нюансы голоса одного человека на переполненном шумящими болельщиками стадионе, вмещающем миллиард зрителей. И решается эта задача в два этапа.
Для того чтобы избавиться от «сорняков», все микроорганизмы поместили в питательную среду, а затем туда добавили антибиотики, то есть создали экстремальную ситуацию, о которой говорили выше. Сразу же погибли все клетки, в которых вообще нет мини-хромосом.
Теперь остались два типа клеток, а значит, и микроорганизмов: те, у которых имеются мини-хромосомы со «вшитым» геном, ответственным за производство треонина, и те, у которых «вшитого» гена нет. После «операции» практически не остается клеток, которые бы не потеряли треонинный ген (за исключением тех, в мини- хромосомы которых он был «вшит»).
Клетки, из хромосом которых был «вырезан» этот ген, не могут жить без добавки треонина и через некоторое время погибают. Таким образом, останутся лишь те удачно «прооперированные» клетки, которые сами могут вырабатывать эту аминокислоту.
Но насколько устойчива, жизнеспособна новая бактерия, вырабатывающая треонина в 30 раз больше? Ведь ей придется работать не в пробирке, а в промышленных установках?
Да, это очень сложная задача. Ведь гены, которые находятся в большой хромосоме, — устойчиво наследуемый материал. Мини-хромосомы очень неустойчивы, а значит, могут потерять нужные качества. Для решения проблемы устойчивости, жизнеспособности микроорганизма мы применили очень интересный прием — своего рода антиселекцию. В результате генетических экспериментов нам удалось достигнуть того, что любое изменение, которое может повредить избыточному биосинтезу треонина, убьет бактерию. То есть в промышленных условиях на простой минеральной питательной среде (зто глюкоза) выживают только те клетки, которые производят избыточное количество аминокислот. Как только бактерия становится нормальной, она гибнет. Таким образом, мы создали микроорганизм, способный устойчиво работать в больших промышленных установках — ферментерах.
Но высокая продуктивность и устойчивость нашего микроорганизма не единственные положительные качества. На его развитие требуется очень мало времени: весь процесс — он называется ферментацией — проходит за 24 часа. Если учесть, что все микробиологические процессы должны проходить в стерильных условиях, то сразу станет ясно, какие преимущества дает малый период ферментации. В промышленных условиях несложно поддерживать стерильность в течение суток даже в стакубометровых ферментерах. Это вполне понятно: скажем, сохранить чистыми вымытые руки легче в течение часа, чем целый день. Наш микроорганизм мы испытали на двух микробиологических заводах. Лабораторные разработки подтвердились хорошими результатами. Практически создан устойчивый микроорганизм, готовый к промышленному производству. По нашим оценкам, килограмм треонина будет стоить меньше 10 рублей, что в шесть раз ниже мировых цен.
И последний вопрос. Владимир Георгиевич, в вашем институте удалось сконструировать микроорганизм с совершенно новыми свойствами, не встречающийся в природе. Нет ли опасности, что эта бактерия вдруг выйдет из-под контроля ученых, случайно попадет в организм человека и вызовет какие-либо отрицательные последствия?
Прежде всего, надо сказать, что необходимые меры предосторожности соблюдаются постоянно. И никуда бактерия случайно попасть не может. Да и сама она безопасна: погибает в кишечнике человека через сутки.
Вы можете возразить, что мини- хромосомы могут передать свои признаки кишечным палочкам, которые уже имеются в организме человека, и впоследствии вызвать нежелательные явления. При конструировании нашего микроорганизма мы учли и это, сделав невозможным переход наследственной информации к микроорганизмам других видов.
Таким образом, наш микроорганизм удовлетворяет всем требованиям и промышленного производства, и вопросам безопасности.
Итак, не природой, а человеком сконструирован микроорганизм, который в скором времени будет широко использоваться в промышленном производстве важной кормовой добавки. Впереди работы и по микробиологическому получению второй аминокислоты, о которой мы говорили в начале, — триптофана.
Рисунки О. ВЕДЕРНИКОВА и А. НАЗАРЕНКО