От пекарни до биофабрики. Обзор достижений биотехнологии - Реннеберг Рейнхард
Палочковидные молочнокислые бактерии (лактобациллы; от греч. lactos — молоко) нежелательны только при производстве спирта. Обычно же они совместно с другими молочнокислыми бактериями, чьи клетки собраны в цепочки, напоминающие жемчужные ожерелья (стрептококки), обеспечивают скисание молока, «подъём» кислого теста, квашение нарубленной белокочанной капусты, силоса или огурцов. Поскольку гнилостные микробы не способны развиваться в присутствии молочной кислоты, то кислая капуста, силос и маринованные огурцы способны к длительному хранению.
Вскоре, после того как Пастер открыл в чанах для спирта молочнокислых бактерий, к нему обратились за помощью виноградари Арбуа [6]. У них были хлопоты со спиртовым брожением вина. Даже из лучшего виноградного сока получалось маслянистое, вязкое, горькое вино. И здесь тоже вместо дрожжевых грибов Пастер нашёл в испорченном вине мелкие бактерии, образующие цепочки наподобие жемчужных нитей. В ходе своих обстоятельных исследований Пастер обнаружил несколько видов бактерий, вызывающих различные болезни вина. В конце концов даже без дегустации вина он мог сказать поражённым виноградарям, каково оно будет на вкус! Для этого ему было достаточно посмотреть пробу под микроскопом и определить вид дрожжей или бактерий.
Но практичных виноградарей всё же больше интересовало, каким способом они могли бы устранить этих зловредных бактерий. Пастер установил, что, для того чтобы умертвить бактерий, достаточно кратковременного прогревания вина. Подобным приёмом можно предохранить и молоко от скисания. В настоящее время этот процесс, при котором погибает подавляющее большинство вредных микроорганизмов, называют в честь Пастера пастеризацией. А ведь в 1 мл (= 1 см3) сырого молока содержится от 250 000 до 500 000 микробов! Поэтому в наше время молоко, предназначенное для питья, чаще всего кратковременно пастеризуют (при 71—74 °С примерно в течение 40 с), благодаря чему отмирает 98—99,5 % микроорганизмов. Молоко, выдерживающее без охлаждения шестинедельное хранение, в течение нескольких секунд нагревают при помощи водяного пара даже до 120 °С, затем охлаждают и разливают в стерильные ёмкости.
Микроорганизмы. Зарисовка Луи Пастера из его книги «Болезни вина», а — уксуснокислые бактерии; б и в — дрожжи; г и д — бактерии «горькой болезни» вина; е — смесь бактерий, выделенных из образцов вина, которое после брожения остаётся сладким (1) либо становится горьким (2) или кислым, т. е. прокисает (3); ж — бактерии, вызывающие появление прогорклого вкуса вина; з — бактерии, сбраживающие мочу; и — смесь молочнокислых бактерий и пивных дрожжей; к, л и м — различные маслянокислые бактерии, которые, в частности, обусловливают прогоркание масла.
Дыхание без кислорода
В чём же сущность процесса брожения? Этот вопрос занимал не только Пастера. К концу ⅩⅧ в. химики уже доказали, что при брожении виноградного сока из виноградного сахара (глюкозы) образуются спирт и углекислый газ. В середине ⅩⅨ в. знаменитый немецкий химик Юстус фон Либих (1803—1873) выдвинул в этой связи следующую теорию. Он утверждал, что при образовании спирта речь идёт о чисто химическом, а не биологическом процессе. Либих находил просто смехотворным, что брожение будто бы могут вызывать микроскопически маленькие создания. Однако же при всех спиртовых брожениях находили дрожжи, то есть живые существа.
Луи Пастер вступил в горячий спор с Юстусом Либихом. «Без живых дрожжей не может быть никакого спирта»,— настаивал Пастер. Либих насмешливо парировал: «Те люди, которые думают, что процесс брожения обусловлен анималькулями (зверьками), подобны детям, которые полагают, что течение Рейна обусловлено вращением колес водяных мельниц, стоящих на его берегах». Спор длился годы с переменным успехом. Однако окончательно решён он был лишь после смерти Пастера и Либиха.
В 1876 г. Пастер опубликовал обширный труд, включающий результаты двух десятилетий исследовательской работы. «Брожение есть дыхание без кислорода»,— утверждал Пастер. Брожение служит для стимуляции живых существ, для приобретения энергии. Все живые существа нуждаются в энергии для жизни. Они приобретают эту энергию путём расщепления сахаров, жиров и белков в клетках своего организма. Например, сахар в процессе дыхания разлагается до углекислого газа и воды. Оба этих продукта покидают клетки. Образующуюся при этом энергию организм использует, к примеру, для движения собственных мышц. Для этого «холодного горения», как и для «горячего» горения дров с образованием золы, клеткам необходим кислород воздуха. Таким образом, без кислорода высшие животные и растения не могут добыть энергию, и, следовательно, нежизнеспособны.
В противоположность этому микробы в случае дефицита кислорода способны прибегнуть к своего рода «аварийному дыханию». Вероятно, это в данной ситуации вынужденное решение — брожение — восходит к древнейшему периоду существования жизни на Земле, когда земная атмосфера не содержала кислорода. Лишь позднее кислород был высвобожден растениями из воды и углекислого газа в результате фотосинтеза. А до того времени в бедной кислородом атмосфере брожение являлось для первичных микробов нормальной формой добывания энергии.
При скисании молока и заквашивании капусты и огурцов молочнокислые бактерии являются главными возбудителями брожения. Что касается спиртового брожения, то оно обусловливается дрожжами. В отсутствие доступа воздуха они расщепляют сахар лишь до спирта и углекислого газа. В зависимости от имеющегося в данный момент окислительно-восстановительного потенциала дрожжи могут либо «дышать», либо «бродить». Однако посредством брожения они добывают меньше энергии, чем с помощью дыхания. Поэтому в отсутствие кислорода они размножаются в 20 раз медленнее, чем при его наличии. Ради того, чтобы получить спирт или разрыхлить с помощью пузырьков углекислого газа тесто для хлеба, человек помещает дрожжи до известной степени в «аварийную» ситуацию. Однако если требуются большие массы дрожжей, то есть необходимо их размножение, то кислород даже нагнетается в дополнительном количестве в питательный раствор. Правда, тогда образуется очень мало спирта.
Но помимо дрожжей с их «двойной жизнью» имеются и такие микробы, для которых даже ничтожные количества кислорода являются смертельными, например метанобактерии, образующие без доступа воздуха болотный газ (метан).
Возможно ли брожение без микробов?
Что же, прав был Пастер, который утверждал, что без микробов невозможно никакое брожение?
В 1897 г. Эдуард Бухнер (1860—1917) провёл чрезвычайно важный эксперимент. Он решил выяснить, возможно ли брожение в случае отсутствия живых клеток. Для этого он до тех пор растирал в ступке дрожжи, перемешанные с кварцевым песком, пока под микроскопом уже нельзя было обнаружить ни одной жизнеспособной дрожжевой клетки. Затем он отжал «дрожжевую кашицу» на фильтре и получил прозрачную жидкость. Бухнер добавил к этому дрожжевому экстракту раствор сахара и спустя некоторое время с удивлением констатировал, что в жидкости появились пузырьки газа, причём это был углекислый газ! Сахар быстро превращался в спирт. Но, может быть, некоторые дрожжевые клетки всё-таки не утратили жизнеспособности? Бухнер месяцами повторял свои опыты, но результат был всегда один: он действительно получал спирт без живых дрожжей! Оставалось предположить, что в дрожжах имеются вещества, вызывающие брожение, причём они могут проходить даже через самые мелкопористые фильтры. Значит, брожение не нуждалось в «жизненной силе» дрожжей, а было обусловлено содержащимися в них веществами.
Эти впервые обнаруженные, но неувиденные вещества были названы энзимами (от греч. en zyme — в дрожжах) или ферментами [7]. Сегодня известно, что и в дрожжевых клетках, и в клетках всех других живых существ содержатся миллиарды (!) молекул ферментов (энзимов). Бухнер предполагал, что образование спирта из сахара обусловлено действием одного-единственного фермента, названного им «зимазой». Но современной науке хорошо известно, что для превращения сахара в спирт и углекислый газ дрожжевая клетка привлекает к слаженной работе 12 (!) различных ферментов.
