БІОТЕХНОЛОГІЯ - Іншина Н.М. - 2009

РОЗДІЛ 5. ПРОМИСЛОВА БІОТЕХНОЛОГІЯ

Промисловий синтез білків за участі рекомбінантних мікроорганізмів

Однією з глобальних проблем людства є дефіцит харчових продуктів. Наприкінці XX ст. населення планети становило 7,5 млрд людей. За прогнозами вчених у 2025 р. населення планети становитиме більш ніж 8 млрд, а у 2050 р. збільшиться до 10 млрд людей. За даними ООН, понад половина населення Землі недостатньо забезпечена продуктами харчування. Основна проблема харчування людей полягає у дефіциті білка.

Біологічна цінність білків залежить від їх амінокислотного складу, а саме від наявності незамінних амінокислот, що не синтезуються в організмі людини. Для організму людини 8 амінокислот є незамінними: лейцин, ізолейцин, лізин, метіонін, треонін, триптофан, валін, фенілаланін. Рослинні білки, на відміну від тваринних, не містять повного спектра незамінних амінокислот. Найпоширенішими джерелами рослинних білків є соя, насіння соняшника та арахіс. Білки тваринного походження мають високу собівартість: для одержання 1 кг тваринного білка необхідно затратити 5 — 10 кг рослинних білків.

Альтернативним джерелом білків для харчування людини і тварин є мікроорганізми, у клітинах яких вміст білків становить 60 — 80% від маси сухої речовини. Завдяки високому вмісту метіоніну, лізину, вітамінів і мінеральних речовин білок мікроорганізмів має високу харчову цінність. Перевагою мікроорганізмів як продуцентів білка є висока швидкість їх росту. Мікроорганізми у 10 - 100 000 разів швидше синтезують білки, ніж рослини і тварини. Наприклад, корова вагою 500 кг за добу утворює 0,5 кг білка, 500 кг рослин сої — 5 кг білка, а 500 кг дріжджів -50 т білка.

У 1966 р. з’явився термін «білок одноклітинних організмів».

Білок одноклітинних організмів — це білкові продукти, ідо синтезуються монокультурою мікроорганізмів і використовуються як харчові добавки до раціону людини і тварин.

Для одержання білка одноклітинних організмів використовують різні мікроорганізми і субстрати (табл. 5.1).

Таблиця 5.1.

Субстрати і мікроорганізми, що використовуються у процесі

одержання білка одноклітинних організмів

У біотехнологічній промисловості продуцентами білка є дріжджі, гриби, бактерії, мікроскопічні водорості. Як субстрати для виробництва білка одноклітинних організмів використовують вуглеводні нафти, метан, водень, вуглекислий газ, метанол, етанол, оцтова кислота, крохмаль, лігноцелюлозні відходи сільського господарства, відходи вугільної, хімічної, харчової, вино-горілчаної і деревообробної промисловості. Підраховано, що за участі мікроорганізмів з 1 кг нафти можна одержати 1 кг білка, а з 1 кг вуглеводів - 500 г білка.

Деякі мікроорганізми як субстрат використовують молочну сироватку. Використання сироватки для годування тварин є неефективним шляхом її утилізації, оскільки ступінь конверсії білка сироватки у тваринний білок дуже низький: для синтезу 1 кг тваринного білка необхідно 1700 кг сироватки молока. Утилізація сироватки за допомогою мікроорганізмів дозволяє одержувати значну кількість білка одноклітинних організмів.

Найчастіше у промисловому виробництві білка використовують дріжджі Candida lypolitica. Білок дріжджів за вмістом незамінних амінокислот перевершує білок зерна злакових культур, а за вмістом вітамінів - усі білкові корми, у тому числі рибну муку. Крім великої кількості білків, біомаса дріжджів містить вітаміни, мікроелементи, ліпіди з високим вмістом ненасичених вищих жирних кислот. Підраховано, що 1 т кормових дріжджів замінює 7 - 8 т кормових злаків, що забезпечує додаткове одержання 800 кг свинини або 5 т м’яса птиці. Уведення 1 т кормових дріжджів у раціон телят і поросят економить 6 т молока. Добавка 1 т біомаси дріжджів у раціон птахів дозволяє одержати додатково

1.5 - 2 т м’яса або 25 — 35 тис. яєць.

Крім дріжджів, високопродуктивними джерелами кормового білка є зелені водорості. Як харчову добавку до раціонів тварин використовують біомасу одноклітинних водоростей родів Chlorella і Scenedesmus. Клітини водорості Chlorella містять у своєму складі 50% білка, 40% вуглеводів, 7 — 10% ліпідів, вітаміни (А, В₂, В₅, К), мікроелементи. Клітини хлорели, що іаймають площу 1 іа, продукують 20 - 30 т білка, а рослини люцерни - 2 - 3.5 т.

Водорості носток і спіруліна вживають в їжу. В Японії вживають носток, що росте на схилах вулкана, його називають ячмінний хліб Тенгу. Завдяки високому вмісту вітамінів і мінеральних речовин біомаса водорості Spirulina platensis використовується як основа медичних препаратів загальнозміцнювальної та імуномодулюючої дії. Спіруліна містить у своєму складі 65% білків, 19% вуглеводів, 6% пігментів, 4% ліпідів, 3% волокон, 3% мінеральних речовин. Для білків спіруліни характерний збалансований вміст амінокислот. Урожайність спіруліни дуже висока (20 г сухої маси водорості з 1 м² за добу), за рік вона перевищує врожайність пшениці приблизно у 10 разів.

Перспективними джерелами білка є ціанобактерії, що здатні до фіксації атмосферного азоту. Вміст білка у клітинах бактерій становить 80% від маси сухої речовини. Якість біомаси бактерій та інших мікроорганізмів оцінюється за високим вмістом білка і низьким вмістом нуклеїнових кислот, відсутністю шкідливих речовин.

Виробництво білкової біомаси є найбільшим мікробіологічним виробництвом. Уперше масштабне виробництво білка одноклітинних організмів було впроваджено у Німеччині під час Першої світової війни: на патоці (джерело Карбону) і солях амонію (джерело Нітрогену) вирощували дріжджі S.cerevisiae, біомасу яких додавали у продукти харчування для підвищення вмісту білка.

Інтерес до білка одноклітинних організмів підвищився у зв’язку з утилізацією різних відходів. Розробка біотехнологічних процесів одержання білка із відходів потребує дослідження кінетики росту, метаболізму, можливостей генетичних маніпуляцій і безпечності мікроорганізмів.

У 60-х роках XX ст. створено установки з виробництва білка за участі мікроорганізмів, що можуть утилізувати нафту. Встановлено, що із 1 т нафти можна одержати 1 т дріжджів Candida, що містять приблизно 600 кг білка. Перше підприємство з виробництва дріжджів з алканів нафти почало діяти у СРСР у 1973 р. У 1970-1980 рр. СРСР посів перше місце у світі за обсягом мікробіологічного виробництва білка - більш ніж 1 млн т кормових дріжджів за рік. З 1985 р. білок одноклітинних організмів використовують у харчовій промисловості. Мікробний білок використовують для створення штучного м’яса, молока, сиру та інших продуктів. Вони пройшли апробацію на тваринах і людях. Такі штучні продукти можна зустріти на прилавках магазинів США, Англії, Індії, країн Азії та Африки. Але широке застосування білка одноклітинних організмів у харчовому раціоні людини обмежується такими факторами:

- можлива присутність у біомасі мікроорганізмів токсичних речовин, адсорбованих із субстрату (важкі метали) або синтезованих мікроорганізмами (мікотоксини), для виявлення яких необхідно здійснювати додаткові аналізи, що потребує значних витрат;

- високий вміст нуклеїнових кислот у біомасі мікроорганізмів може становити небезпеку для організму людини за деяких патологічних станів;

- низька швидкість руйнування клітин мікроорганізмів у травному каналі може призвести до розладів травлення або алергічних реакцій.

Мікроорганізми здатні синтезувати не лише харчові і кормові білки. За рахунок уведення клонованих генів можна одержувати різні білки за участі мікроорганізмів. У геном Е.соlі і дріжджів були введені гени, виділені з мідій Mytilus edulis. Ці гени кодують білок, що виконує роль біоклею.

У 1995 р. були виділені гени, що кодують білки павутини. Введення цих генів у геном мікроорганізмів забезпечило синтез білків павутини в їх клітинах. Як відомо, павутина у 100 разів тонша за волосину, м’якша за бавовну, міцніша за сталь, еластична, стійка до змін температури. Цей матеріал можна використовувати для виготовлення парашутів, бронежилетів та ін.

Таким чином, за допомогою мікроорганізмів можна одержувати широкий спектр білків.