Горизонты биотехнологии в животноводстве России

Полный текст

Современная биология далеко ушла от классической науки о живом, которая существовала еще в ХIХ в. Сейчас она не ограничивается познанием окружающего мира. Биология стала средством изменения этого мира для удовлетворения нужд и потребностей людей, которые, по мнению ученых, находятся на высшей ступени эволюции, на вершине кормовой цепочки от одноклеточных (грибы, бактерии, простейшие) до человека. Сельскохозяйственные животные, птицы, рыбы - промежуточный этап в этой цепочке [1; 7; 13]. Наиболее важное и характерное событие, которое произошло в биологии за более чем полвека, - это формирование биотехнологии как прикладного направления биологии. Если вспомнить достижения СССР, то с уверенностью можно утверждать, что Советский Союз занимал неоспоримое первое место в мире в 70-80-е гг. ХХ в. в этом направлении. Стержень современной промышленной биотехнологии - это микробиология во всех ее многочисленных ответвлениях и специализациях. К достижениям микробиологов в животноводстве можно причислить производство ферментов, аминокислот, витаминов, антибиотиков, различных лекарственных средств, производимых фармакологической промышленностью и т. д. В недалеком будущем наша страна, несомненно, отвоюет все утраченные мировые позиции в данном вопросе и не только. Сигнал четкий получен - курс на импортозамещение. Опыт в стране наработан колоссальный, примеров множество. Сырья, энергии, технологий и человеческих ресурсов достаточно для получения мощного толчка в развитии [5; 6]. Важность отрасли подчеркивает факт, что население земного шара увеличивается, при этом посевные площади сокращаются (почвенные, ветряные эрозии, изменение климата, засоление, загрязнение, использование с/х земель не по назначению). Борьба с голодом, бедностью и отсталостью - это одна из важнейших глобальных проблем, которую цивилизованное общество должно решать сообща, в рамках экономических союзов, объединений, соглашений, тем более - в новом векторе направления всесторонней помощи африканскому континенту, в рамках ШОС, АСЕАН, БРИКС, Африканского союза[20] [17; 18]. Как обеспечить продуктами питания почти 2/3 населения земного шара, входящие в вышеперечисленные интеграционные группировки? Один из выходов как раз и предлагает биотехнология. На помощь биотехнологии приходит биохимия. Известно, что биомасса растительного происхождения, возобновляемая природой, может являться perpetuum mobile, исходным сырьем для биохимических процессов, использующих биосинтез для создания важнейших для развития живого организма питательных веществ [4]. Кроме того, действие различных представителей микромира строго специфично - каждый преобразует только определенные соединения и исключительно в направлении, свойственном своему роду. Собранные в закваски, мультиэнзимные композиции и различные полиферменты, микроорганизмы вступают с биохимическую реакцию в строго определенное время и в определенных условиях, созданных Природой, Солнцем и, возможно, Высшим разумом… Такое взаимодействие сравнимо с симфоническим оркестром, где каждый музыкальный инструмент вступает в нужном такте, с нужной ноты - и создается музыка… Необходимо отметить важность использования ферментов при эффективном решении такой задачи, как производство углеводов как основы для пищевой, кормовой, масложировой, сахарной, спиртовой, пивоваренной промышленности, в том числе используя в качестве сырья растительные отходы вышеупомянутых производств. Такая биоконверсия отходов и ее роль в кормлении сельскохозяйственных животных будет только возрастать. Правильное использование отходов может существенно сократить потребление фуражного зерна при выращивании скота, птицы и рыбы, не снижая продуктивности, а высвободившиеся сотни тысяч тонн зерновых и зернобобовых культур использовать в коммерческих или благотворительных целях, в том числе для помощи дружественным народам Африканского контента, Средней Азии и Юго-Восточной Азии. Биохимия обеспечила возможность промышленного использования ферментов - биологических катализаторов. Они превосходят по своей активности искусственные (синтезированные) [12; 13; 17]. В присутствии таких катализаторов химические реакции протекают без относительно высоких температур и давления, причем с огромной скоростью (табл. 1). Микроорганизмы вырабатывают также углеводы, липиды, витамины и минеральные вещества, их продуктивность превышает продуктивность растений и сельскохозяйственных животных во много раз. В табл. 1 приведено время удвоения массы у различных одноклеточных микроорганизмов, плотоядных и травоядных животных, птиц и рыб [1; 3; 12]. Таблица 1. Скорость протекания химических реакций при наличии катализаторов Организм Время удвоения массы у различных организмов Бактерии 20 мин Дрожжи 2 ч Грибы и водоросли 6 ч Лиственные растения, травы 2 нед. Птица 4 нед. Свиньи 6 нед. Телята 2 мес. Источник: составлено авторами. Table 1. The rate of chemical reactions in the presence of catalysts Organism The time of doubling of mass in various organisms Bacteria 20 minutes Yeasts 2 hours Mushrooms and algae 6 hours Deciduous plant, herbs 2 week Bird 4 week Pig 6 week Calves 2 months Source: compiled by the authors. Из приведенных данных видно, что микроорганизмы растут в 500 раз быстрее самых урожайных сельскохозяйственных культур и в 1000…5000 раз быстрее самых быстрорастущих пород животных. Как известно, микроорганизмы способны накапливать огромное (до 60…70 % сухой массы) количество белка. Получаемая биомасса используется в качестве прекрасного обогатителя кормов и служит для получения ферментированных белковых кормовых добавок. Для получения кормовых добавок чаще всего применяют биотехнологии, использующие дрожжи, грибы и бактерии. Применение в промышленных целях микроорганизмов и ферментов отчетливо выделяет положительные стороны биотехнологий: возможность использовать возобновляемое сырье, относительно щадящие условия промышленного процесса, сокращение числа его этапов и практически минимальное загрязнение окружающий среды. Большинство ранних работ, выполненных в этом направлении, затрагивало вопросы образования целлюлозолитических ферментов или трансформации растительных белков под действием грибов, но в них практически отсутствовали сведения о физиологических и микробиологических аспектах получения белковых веществ путем ферментации твердых субстратов микрогрибами [2; 3]. Авторы отдают предпочтение культивированию микрогрибов в твердой фазе. В качестве субстратов обычно берут зерно злаковых, отходы зерноперерабатывающей промышленности и другое растительное сырье, в том числе малоценное. Из грибов предпочтение отдается представителям родов Aspergillus, Rhizopus, Penicillium, в частности Aspergillus niger, A. Oryzae, Mucor racemosus и Rhizopus oryzae, используя их амилолитическую активность, отличающуюся быстрым ростом на субстратах. Биомасса, полученная с помощью различных продуцентов, характеризуется неодинаковым химическим составом (табл. 2) [16; 17; 18]. Продуцируемые микроорганизмами белки концентрируются преимущественно внутри клетки, поэтому целевым продуктом производства белковых веществ является биомасса продуцента, которая может непосредственно использоваться в качестве обогатителя кормов для животноводства и птицеводства или служить сырьем для получения очищенного белкового препарата. Выбор микроорганизмов-продуцентов белка при обогащении растительного сырья определяется, прежде всего, кормовой ценностью их биомассы. Продуценты белка должны обладать способностью накапливать до 40…70 % белка от своей массы, рационально усваивая питательные вещества среды; иметь минимальное время генерации; не выделять в среду токсичных продуктов метаболизма и не быть патогенными; предусматривать наиболее простую технологию и применение дешевых малообработанных субстратов [2; 5; 8]. Таблица 2. Химический состав клеток различных микроорганизмов, % от АСВ Вещество Грибы Водоросли Бактерии Дрожжи Азот 5,0-8,0 7,5-10,0 11,5-12,5 7,5-8,5 Липиды 2,0-8,0 7,0-20,0 1,5-3,0 2,0-6,0 Зола 9,0-14,0 8,0-10,0 3,0-7,0 5,0-9,5 Нуклеиновые кислоты 1,6-2,5 3,0-8,0 8,0-16,0 6,0-12,0 Источник: составлено авторами. Table 2. Chemical composition of cells of various microorganisms, % of the ACB Substance Mushrooms Algae Bacteria Yeasts Nitrogen 5.0-8.0 7.5-10.0 11.5-12.5 7.5-8.5 Lipids 2.0-8.0 7.0-20.0 1.5-3.0 2.0-6.0 Ash 9.0-14.0 8.0-10.0 3.0-7.0 5.0-9.5 Nucleic acids 1.6-2.5 3.0-8.0 8.0-16.0 6.0-12.0 Source: compiled by the authors. Для оптимального решения в рамках одного технологического процесса вопросов качества биомассы, скорости роста и возможности испытывать малообработанный субстрат - целесообразны комбинации из двух и более продуцентов, собранных в закваски, мультиэнзимные композиции и им подобные. Так, при значительном содержании клетчатки в исходном сырье, используемом в качестве питательной среды, в комбинации, можно включать целлюлозолитические, пектолитические, амилолитические микрогрибы, бактерии, которые расщепляют субстрат до степени полимеризации, обеспечивающей быстрое накопление биомассы другими разновидностями, отличающимися благоприятным химическим составом или способными к другим полезным биохимическим превращениям. Пока из всего богатства микромира, которым располагает природа, человек использовал лишь ничтожную долю микроорганизмов, особенно в промышленных целях. В начале 50-х гг. ХХ в. Уотсон и Крик сделали одно из величайших открытий в области биологии - была расшифрована молекулярная структура материального носителя наследственности - гена. Академик А.А. Баев проявлял исключительный интерес как к основе для будущих разработок, к жизнедеятельности фототрофных бактерий, преобразующих световую энергию подобно растениям, термофильным микроорганизмам, существующим при высокой температуре, иногда близкой к 100 градусам и бактерий, развивающихся в отсутствии кислорода. Он отмечал, что возможность вовлечения в процесс новых микроорганизмов станет реальной при том условии, что физиология, биохимия и генетика будут развиваться параллельно. Без этой триады немыслимо практическое применение биологии. Сегодня успешно развиваются направления генетической, клеточной инженерии, иммунологии, паразитологии, токсикологии, энзимологии. Генетическую инженерию можно определить как систему экспериментальных приемов, позволяющих лабораторным путем создавать искусственные генетические структуры в виде так называемых рекомбинантных (гибридных) молекул ДНК. В сущности, живая клетка - это миниатюрная биохимическая лаборатория, где производство подчиняется наследственной программе, заложенной в одной из ее нуклеиновых кислот, а именно в ДНК. Эта программа состоит из белков-генов. Каждый из них управляет наращиванием определенных аминокислот и той функцией клетки, которая зависит от него. Поэтому, вводя в клетку новую генетическую информацию в виде гипоидных молекул ДНК, исследователь получает микроорганизм, измененный соответственно поставленной цели. Сама идея воспроизведения в лабораторных условиях генетических процессов у ученых разных уровней возникает постоянно. Но в начале никто не представлял, как выделить нужные гены из огромных молекул ДНК и как затем собрать эти гены в единую работающую структуру. Развитие наших знаний в работе с живой клеткой дало ученым инструменты, пригодные для таких операций. Это - созданные самой природой ферменты, которые содержатся в живых клетках. Одни из них рассекают молекулы ДНК в строго определенных участках, другие, наоборот, сшивают их в единое целое. Такая химическая хирургия и осуществляется с помощью определенных ферментов - рестриктаз. После того как ферменты были выделены из клеток и очищены, создание искусственных генетических структур стало технически выполнимой задачей. Так началась эпоха генетической инженерии, как основного инструмента биотехнологии. Теперь фундаментальная биология прочно опирается на исследования биоинженерии и дает начало многим практическим исследованиям [5]. Благодаря этому микробиологическое производство в различных направлениях приобрело исключительно мощный способ создания высокопродуктивных штаммов микроорганизмов, позволяющих резко повысить выход готового продукта для начала в лабораторных условиях и после кропотливой работы вывести ту или иную биотехнологию в производство [8; 10; 11]. Область, в которой промышленное применение генетической инженерии уже имеет, бесспорно, прочный фундамент - получение физически активных веществ белковой природы для сельскохозяйственных нужд. Лабораторные исследования в этой области были начаты в 1970-х гг. и приобрели в 1980-х гг. форму научных программ, объединивших усилия академических и отраслевых институтов. Успешные примеры развития и взаимодействия науки и производства быстро приобрели громадную народнохозяйственную, практическую значимость. В те годы ученые уже добились успеха в работе с одноклеточными организмами, им удалось изменить наследственные свойства этих организмов, которые в большинстве случаев воспроизводятся в их потомстве [14; 15]. Все высшие растения и животные - многоклеточные организмы, и это существенно меняет дело. Никакими доступными способами нельзя разом изменить генотип всех клеток сформировавшегося организма, животного или растительного. Генетическая инженерия позволяет это сделать на уровне одной исходной клетки и получить генетически измененный организм при условии, если эта клетка способна преодолеть весь путь развития до состояния зрелого организма. Такого ограничения не существует для одноклеточного организма, оно действует на высших ступенях эволюции жизни. Клеточная инженерия в области животноводства используется для получения белка, аминокислот, витаминов, а также разных кормовых добавок, лекарственных препаратов для борьбы с болезнями животных. Нет необходимости доказывать важность этого направления и огромный потенциал его развития в будущем. Итак, мы попытались доказать постулат, что биология держится на трех китах - ген, гормон, фермент. И, по мнению авторов, - это аксиома…

Об авторах

Ольга Анатольевна Миронова

Российский университет дружбы народов; ФГБУ «Всероссийский центр карантина растений» (ФГБУ «ВНИИКР»)

Автор, ответственный за переписку.
Email: m2889888@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3263-8100
SPIN-код: 5108-1323

кандидат биологических наук, заведующий базовой кафедрой фитосанитарной биологии и безопасности экосистем, институт экологии, Российский университет дружбы народов

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6Е; Российская Федерация, 140150, Московская обл., г. Раменское, р.п. Быково

Александр Петрович Леснов

ООО ИНБИОТЕХ-К

Email: m2889888@mail.ru
кандидат экономических наук, доцент Российская Федерация, 125252, Москва, ул. Зорге, д. 15

Антон Павлович Кармазин

Федеральная служба по ветеринарному и фитосанитарному надзору

Email: Fumrostov@mail.ru
ORCID iD: 0009-0002-7983-3912
SPIN-код: 9208-7164

кандидат биологических наук

Российская Федерация, 107078, Москва, Орликов переулок, 1/11

Список литературы