Биотехнология: что это такое?
Шрифт:
Разумеется, можно, но только в том случае, если таинственный механизм бактериальных трансформаций будет познан. Вот почему тысячи лабораторий мира столь настойчиво изучают эту уникальную способность одноклеточных организмов созидать из неживого органику. Недаром наш выдающийся биохимик академик А. Н. Бах писал по поводу попыток «копирования» естественных возможностей бактерий в лабораторных и даже промышленных условиях.
«Подобно тому как теоретическое изучение механизма полета птиц привело к построению летательного аппарата, более тяжелого, чем воздух, мы надеемся путем теоретического изучения сопряженного действия биологических окислительно-восстановительных катализаторов, обусловливающих связывание атмосферного азота бактериями, выявить наиболее благоприятные условия для технического синтеза аммиака».
Не диво ль? Крохотная клетка легко и естественно ведет как по нотам сложнейшую «партитуру» фиксации азота, написанную для нее природой.
Но... из ничего, как известно, ничего и не бывает. И потому, предположили ученые, бактерия наверняка должна владеть каким-то необычным и очень мощным источником энергии. Такой источник в конце концов был установлен. Им оказалась так называемая нитрогеназа— сложнейший комплекс высокоэффективных ферментов. Он не только безотказно снабжает бактерию энергией, но, что особенно важно, снабжает без ограничений. Компактная, самопроизводящая внутреннее топливо азотфиксирующая клетка-фабрика, воссозданная природой невообразимо огромным тиражом, стала крупнейшим поставщиком для всего живого азота, а в конечном счете и крупнейшим производителем белка. Этот биотехнологический процесс, отлаженный самой эволюцией, длится миллиарды лет.
Невидимые и непознанные, его без устали творят азотфиксирующие бактерии. И хотя с незапамятных времен земледельцы всех стран мира несметное число раз наблюдали неожиданное возрождение своих порядком истощенных длительными монопосевами (когда культура сеется по той же самой культуре) полей, ни понять, ни осмыслить происходящее они не могли. Да и первые научные попытки объяснения данного феномена тоже, надо сказать, удачными никак не назовешь. Но почему? — сам собою напрашивается вопрос. Ведь благотворное воздействие на ниву бобовых растений, корни которых нередко оказывались унизанными как бусинами малюсенькими клубеньками, подмечено пахарем чуть ли не от начала земледелия. По крайней мере, еще задолго до нашей эры.
Да, подмечено действительно было, но лишь подмечено — не объяснено. И только в конце прошлого столетия французский исследователь Буссенго, ставивший опыты по изучению севооборотов, установил сенсационный факт: посевы клевера и люцерны настолько обогащали почву азотом, что она не нуждалась в подкормке навозом — самом эффективном органическом удобрении.
Так бобовым растениям достались лавры главных азотобогатителей почвы. Правда, на сей раз исследователь оказался очень близок к истине, ведь загадочные клубеньки на корнях растений, как покажут в дальнейшем самые многоплановые работы, не что иное, как обиталище азотфиксирующих бактерий. А их симбиоз с растением — самый благотворный для почв союз. Однако пройдут еще годы и годы, прежде чем наш выдающийся соотечественник, один из создателей русской микробиологии Сергей Николаевич Виноградский выскажет гипотезу о восстановлении молекулярного азота микробной клеткой. И он же впервые в мире выделит из почвы (1893 г.) свободноживущие азотфиксирующие бактерии, один из видов которых назовет именем великого Пастера, первооткрывателя загадочного мира микроорганизмов.
Проблемами бактериальной азотфиксации занимался и Дмитрий Иванович Прянишников — основатель русской и советской агрохимической школы. А знаменитая обзорная статья ученого «Аммиак как альфа и омега обмена азотистых веществ в растении», посвященная памяти К. А. Тимирязева, и поныне считается настольной книгой всех, кто занимался проблемами почвенного плодородия. В знак признания заслуг ученого перед нашей страной Академия наук СССР учредила специальную золотую медаль его имени. Она присуждается раз в три года за выдающиеся результаты в области изучения азотного питания растений. Одним из лауреатов этой медали за цикл работ «Роль биологического азота и пути его использования в земледелии СССР» стал академик Е. Н. Мишустин. Творчески развивая идеи Прянишникова, ученый со всей убедительностью доказывает в своих трудах, что в том симбиотическом содружестве, в котором живут и развиваются микроорганизмы, именно им, а не растениям, принадлежит роль «первой скрипки» в восстановлении атмосферного азота. Более того, рассекретив интимный механизм, с помощью которого свободноживущие бактерии-азотфиксаторы в минимальные сроки возвращают почве утраченное плодородие, ученый блестяще доказывает его полную идентичность механизму бактерий симбиотических. Между тем, именно этот вопрос был предметом долголетних споров и дискуссий на международном уровне. И лишь открытие нитрогеназы подтвердило верность взглядов советского академика.
Но вклад Е. Н.
Мишустина в познание фундаментальных основ микробиологии и почвоведения на этом отнюдь не завершается, ибо целая серия по-настоящему красиво поставленных и очень доказательных опытов позволяет сделать исследователю еще один сенсационный вывод: азотфиксирующая способность изучаемых бактерий — их главная, но не единственная функция. Есть еще и вторая: в процессе жизнедеятельности они одновременно с азотфиксацией синтезируют и биологически активные вещества, стимулирующие рост и развитие посевов.Сегодня гиббереллины, ауксины, цитокинины,синтезируемые бактериями-азотфиксаторами, стали своеобразным эталоном, по образу и подобию которого микробиологическая промышленность страны выпускает множество наименований всевозможных биостимуляторов роста.
Но вернемся вновь к уникальной способности бактерий фиксировать атмосферный азот, а вернее, к идее ее стимулирования высказанной несколько выше. Нельзя ли, в самом деле, увеличить скорость ассимиляции микроорганизмами молекулярного азота? На языке практики это означало бы и ускорение процесса восстановления плодородия почв.
Оказывается, можно. Существует даже несколько путей решения этой довольно сложной проблемы. Первый из них был предложен в свое время членом-корреспондентом АН СССР А. М. Кузиным. Суть же решения заключалась в том, чтобы путем радиационного воздействия на внутренние биологические мембраны клетки наиболее полно выявить ее наследственные признаки. Причем оригинальная методика, разработанная ученым, открывает возможность из поколения в поколение усиливать эти признаки, все констрастнее проявляя свойства, практически полезные для хозяйственной деятельности человека. Реализованная в промышленных масштабах, она позволила поставить на индустриальный поток культивирование высокоэффективных штаммов микробов-азотфиксаторов.
Второй вариант решения все той же проблемы ускорения азотфиксирующей способности бактерий предложили биотехнологи, использовав при этом им одним присущее сочетание чисто биологических подходов к эксперименту с технической виртуозностью его проведения. Другими словами, биотехнология в данном случае воспользовалась тончайшими методами генетической инженерии.
Работа осуществлялась в Институте биохимии и физиологии микроорганизмов АН СССР под руководством академика А. А. Баева. Ученые шли к той же цели, что и А. М. Кузин (ускорение бактериями азотфиксирующей деятельности), но своим, оригинальным путем. Познание молекулярно-генетических основ симбиотических взаимосвязей — вот что стало их программой-максимумом. Вспомните-ка энциклопедическое определение понятия «почва», на сей раз его первую часть: «природное образование, состоящее из генетически связанных горизонтов...» Но зачем ученым понадобилось столь углубленное проникновение в симбиотические взаимосвязи?
Для того чтоб, разобравшись в них, получить возможность управлять процессом азотфиксации. А достигнуть задуманное оказалось возможно лишь путем направленного конструирования бактериальных суперштаммов, наиболее перспективных для использования в земледелии.
По сути дела речь шла о том, чтобы усовершенствовать с помощью генетической инженерии и передать в таком улучшенном виде последующим поколениям новый штамм бактерии-азотфиксатора, оптимально проявляющего себя в условиях биогеоценоза. Конструирование нового организма шло по отработанной, хорошо известной современной биотехнологии методике: часть генетического аппарата (весь он называется геномом) одного микроба переносилась в другой. Жизнедеятельность обоих при этом не страдала, а рабочие качества возрастали. Подвергшийся трансплантации организм по сути дела становился новым организмом с иными возможностями и качествами. Он теперь воссоединял в себе все достоинства двух перенесших генетическую операцию организмов. Конечно, генетическое конструирование нового штамма азотфиксирующих бактерий и само по себе — дело нелегкое, но главная трудность, с какой сталкиваются обычно исследователи при его реализации, — технология извлечения из генома какого-то одного, но вполне конкретного оперона(часть генетического материала, ответственная за реализацию того или иного признака).
Но характер проявления азотфиксирующих свойств зависит не только от биологических особенностей самой бактерии, но и от соседей по симбиозу, продуктов их жизнедеятельности, способных подавлять или, наоборот, усиливать уникальные качества азотфиксаторов.
Надо сказать, что симбиотические привязанности бактерий весьма консервативны. Как убедительно доказано наукой, клубеньковые микроорганизмы, например, очень неохотно меняют растение-хозяина, места обитания и собственные «вкусы». Одни из них предпочитают клевер, другие — люпины, а третьи — горох. И только в этих привычных условиях их азотфиксирующие особенности срабатывают наиболее эффективно. Отсюда вывод, сделанный биотехнологами: конструируя новый организм, необходимо учитывать взаимозависимость всех сожителей симбиоза.