"Природа", №04-06, 1918 год, стр. 283-290.

Синтезъ бѣлка in vivo.
(Кормовыя дрожжи.)

С. Ф. Нагибина.

I. "Бѣлокъ изъ воздуха"

Въ началѣ войны въ заграничныхъ, а затѣмъ и въ русскихъ газетахъ появилось сенсацiонное извѣстiе о томъ, что въ Германiи найденъ способъ добывать "бѣлокъ изъ воздуха", радикальнѣйшимъ образомъ разрѣшающiй (будто бы) сложную проблему питанiя осажденной страны.

Хотя точныхъ свѣдѣнiй объ этомъ открытiи у насъ въ то время еще не имѣлось, для натуралиста было ясно, что дѣло здѣсь идетъ не о дѣйствительномъ синтезѣ бѣлка изъ элементовъ путемъ обычныхъ химическихъ манипуляцiй (in vitro), а просто сводится къ культурѣ въ заводскомъ масштабѣ какихъ-нибудь быстро размножающихся микроорганизмовъ, потребность которыхъ въ азотистой пищѣ можетъ удовлетворяться на счетъ неорганическихъ соединенiй азота, добываемыхъ путемъ связыванiя свободнаго азота атмосферы.

Въ настоящее время въ нашемъ распоряженiи уже имѣются соотвѣтствующiе выпуски нѣмецкихъ научныхъ журналовъ, и мы, такимъ образомъ, располагаемъ болѣе или менѣе достаточными свѣдѣнiями ¹) о сущности этого способа: какъ оказалось, дѣло сводится къ культурѣ опредѣленной расы дрожжей при условiяхъ, благопрiятствующихъ ихъ развитiю.

Всѣмъ извѣстныя дрожжи, культурные представители которыхъ играютъ такую важную роль въ хозяйственной жизни человѣка, относятся систематиками къ низшимъ сумчатымъ грибамъ (ASscomycetes) — къ семейству Saccharomycetes и образуютъ значительное количество родовъ, видовъ и расъ, отличающихся другъ отъ друга какъ морфологическими, такъ и (главнымъ образомъ) физiологическими особенностями ²).

Подобно большинству ³) незеленыхъ, лишенныхъ хлорофилла растительныхъ организмов дрожжи гетеротрофны, т.-е. нуждаются для своего развитiя въ готовомъ органическомъ веществѣ. Онѣ прекрасно размножаются въ растворахъ сахара опредѣленной (10—20%) концетрацiи, снабженныхъ необходимыми минеральными солями и связаннымъ азотомъ въ формѣ пептона, аспарагина, мочевины или солей аммония.

Характерной физiологической особенностью дрожжей является ихъ способность вызывать спиртовое броженiе сахара — расщепленiе его на спиртъ и угольный ангидридъ дѣйствiемъ специфическаго фермента, зимазы, вырабатываемаго протоплазмой ихъ клѣтокъ ⁴). Благодаря этой способности дрожжи могутъ жить(втеченiе ряда генерацiй) въ анаэробныхъ условiяхъ — при полномъ отсутствiи свободнаго кислорода, добывая необходимую для жизнедѣятельности энергiю путемъ упомянутаго расщепленiя сахара. Броженiе замѣняетъ собою дыханiе, является, такъ сказать, его суррогатомъ.

Оанако, какъ показали соотвѣтствующiя изслѣдованoя, дрожжи не лишены способности дышать и нормальнымъ кислороднымъ дыханiемъ, вызывая полное окисленiе сахара до Н₂О и СО₂. Для энергичнаго развитiя обычныхъ видовъ Saccharomycetes присутствiе свободнаго кислорода даже необходимо. Поэтому на дрожжевыхъ заводахъ, гдѣ цѣлiю производства является полученiе въ теченiе даннаго времени возможно большей массы дрожжевыхъ клѣтокъ, послѣднiя культивируются въ аэробныхъ условiяхъ — при энергичномъ продуванiи воздуха черезъ питательную среду ⁵). Способность сбраживать сахаръ сохраняется дрожжами и при полномъ доступѣ кислорода, результатомъ чего является громадная трата органическаго вещества (сахара) при ихъ развитiи даже въ аэробныхъ условiяхъ. По имѣющимся наблюденiямъ при условiяхъ наилучшаго притока воздуха не менѣе ⅘ сахара расщепляется дрожжевыми клѣтками на спиртъ и СO₂ и только ⅕ испытываетъ полное окисленiе. При обычныхъ же анаэробныхъ условiяхъ броженiя лишь 1% (круглымъ счетомъ) потребленнаго сахара идетъ на пластическую работу клѣтки и полное окисленiе, а остальные 99% превращаются въ спиртъ и угольный ангидридъ (95%) и побочные продукты броженiя (4%).

Такая расточительная трата органическаго вещества объясняется тѣмъ, что броженiе представляетъ собой очень неэкономный способъ использованiя заключающейся въ немъ потенцiальной химической энергiи. Какъ извѣстно, при полномъ окисленiи граммъ-молекулы (180 гр.) сахара (С₆Н₁₂О₆ + 6O₂ = 6H₂O + 6СО₂) получается 702 большихъ калорiи, а при расщепленiя ея на спиртъ и угольный гидридъ (С₆Н₁₂O₆ = 2С₂Н₆О + 2CO₂) — лишь 51 ⁶). Такимъ образомъ, для полученiя даннаго количества свободной энергiи путемъ спиртового броженiя необходимо затратить почти въ 14 разъ больше сахара, чѣмъ при полномъ его окисленiи въ процессѣ нормальнаго дыханiя ⁷).

Химическiй составъ дрожжей характеризуется значительнымъ содержанiемъ азотистыхъ, главнымъ образомъ бѣлковыхъ, соединенiй, образующихъ около 13% сырого и свыше 40% сухого вещества дрожжевыхъ клѣтокъ. (Для сравненiя напомнимъ, что въ сыромъ мясѣ этихъ соединенiй около 20%, въ зернахъ злаковъ (пшеницы) около 12%, а въ сѣменахъ гороха около 24%). Такимъ образомъ, дрожжи по химическому составу представляютъ собою цѣнный питательный продуктъ ("сильный кормъ" зоотехниковъ), пригодный не только для скармливанiя скоту, но и для питанiя человѣка, на что и было обращено вниманiе въ Германiи (гдѣ въ нормальные годы получалось до 70 миллiоновъ килограммовъ, т. е. болѣе 4 милл. пудовъ пивныхъ дрожжей) еще лѣтъ эа пять до начала войны.

Въ Берлинскомъ Институтѣ Бродильной Промышленности были организованы соответствующiя изслѣдованiя, въ результатѣ которыхъ уже въ самомъ началѣ войны, когда вопросы питанiя стали на первую очередь, удалось получить и ввести въ промышленность особую, быстро размножающуюся "кормовую" расу дрожжей съ повышеннымъ содержанiемъ (болѣе 50%) бѣлка, расу исключительно аэробную, повидимому, совершенно лишенную способности вызывать спиртовое броженiе въ содержащихъ сахаръ растворахъ.

Послѣ сказаннаго выше о броженiи и дыханiи ясно, что такая раса дрожжей, получающая всю необходимую для жизнедѣятельности энергiю путемъ нормальнаго окислительнаго дыханiя, должна использовать органическое вещество питательной среды несравненно экономнѣе обычныхъ бродильныхъ дрожжей и потому можетъ съ особымъ успѣхомъ примѣняться для быстраго синтеза бѣлка in vivo.

По имѣющимся въ литературѣ даннымъ ⁸) культура кормовыхъ дрожжей ведется слѣдующимъ образомъ. Большой резервуаръ, размѣрами съ "городскую купальню" наполняется питательной средой, состоящей изъ разбавленной водою мелассы ⁹), необходимыхъ минеральныхъ солей и синтетическаго сульфата аммонiя. Среда засѣвается необходимымъ количествомъ дрожжей кормовой расы и энергично вентилируется путемъ продуванiя воэдуха черезъ расположенныя на днѣ резервуара трубы. При повышенной температурѣ (25°) развитiе дрожжей заканчивается при полномъ использованiи питательнаго матерiала менѣе чѣмъ въ сутки, при чемъ на каждую потребленную вѣсовую единицу сахара получается значительно бо́льшая масса богатыхъ бѣлкомъ дрожжевыхъ клѣтокъ, чѣмъ въ случаѣ культуры обычныхъ дрожжей, вызывающихъ спиртовое броженiе. Бѣлокъ образуется дрожжевыми клѣтками насчетъ сахара и аммiака, и только этотъ послѣднiй получается синтетически, путемъ связыванiя элементарнаго азота атмосферы. Энергiя, необходимая для образованiя бѣлка получается дрожжами путемъ окисленiя опредѣленной части того же сахара въ процессѣ дыханiя.

Насколько же образованный такимъ образомъ дрожжевой бѣлокъ заслуживаетъ громкаго названiя "бѣлка изъ воздуха“?

He болѣе, чѣмъ всякое другое органическое вещество нашей пищи!

Какъ извѣстно, всѣ органическiя пищевыя вещества прямо или косвенно — растительнаго происхожденiя.

Вѣдь, напримѣръ, бѣлки, жиры и углеводы молока и мяса коровы образуются въ организмѣ послѣдней не иначе, какъ на счетъ органическихъ составныхъ частей того растительнаго корма, которымъ корова питается. Одно только зеленое растенiе обладаетъ способностью при посредствѣ энергiи солнечнаго луча ¹⁰) синтезировать органическое вещество на счетъ угольнаго ангидрида воздуха, воды и минеральныхъ солей почвы. Такимъ образомъ, бѣлокъ пшеницы, собранной съ поля, удобреннаго навозомъ, не говоря уже о синтетическомъ сульфатѣ аммонiя, какъ и бѣлокъ, положимъ, сыра, полученнаго изъ молока коровы, питавшейся сѣномъ съ соседняго луга, не менѣе "воздушенъ", чѣмъ бѣлокъ нѣмецкихъ кормовыхъ дрожжей. Удобривъ поле нужнымъ количествомъ минеральных туковъ, хозяинъ получаетъ ботатый урожай, все органическое вещество котораго синтезировано путемъ использованiя "даровыхъ благъ“ природы — воздуха и свѣта.

Къ чему же въ такомъ случаѣ сводится значенiе кормовыхъ дрожжей, размножающихся и образующихъ бѣлокъ на счетъ готоваго органическаго вещества — свекловичнаго сахара? Въ чемъ ихъ преимущество, скажемъ, передъ горохомъ или клеверомъ, образующимъ бѣлокъ путемъ ассимиляцiи (при посредствѣ такъ наз. клубеньковыхъ бактерiй) ¹¹) свободнаго азота атмосферы? Исключительно въ скорости развитiя.

Въ полѣ въ нашихъ широтахъ можно получить въ теченiе года одинъ урожай, на заводѣ же кормовыхъ дрожжей урожай получается ежедневно, круглый годъ, зиму и лѣто, съ точностью и опредѣленностью лабораторнаго опыта, въ полной независимости отъ внѣшнихъ условiй погоды, играющихъ такую рѣшающую роль при полевыхъ культурахъ ¹²).

II. Ускоренный круговоротъ азота.

Практическое, техническое значенiе всякаго химическаго (или бiохимическаго) процесса опредѣляется стоимостью получающагося продукта, которая въ первую очередь находится въ зависимости отъ доступности и дешевизны тѣхъ сырыхъ матерiаловъ, на счетъ которыхъ образуется конечный продуктъ.

Для культуры дрожжей на бѣлокъ нуженъ сахаръ, соединенiя азота (аммiакъ и др.) и минеральныя соли (содержащiя S, Р, К, Mg, Ре). Послѣднихъ требуется, сравнительно, очень немного, такъ что стоимость ихъ не можетъ тяжело ложиться на стоимость производства, тѣмъ болѣе, что онѣ могутъ быть доставлены дрожжамъ въ формѣ дешевыхъ минеральныхъ туковъ сельскаго хозяйства.

Сложнѣе обстоитъ дѣло съ сахаромъ. Конечно, не можетъ быть и речи о томъ, чтобы въ настоящее время для культуры дрожжей на бѣлокъ можно было бы примѣнять искусственно приготовленный синтетическiй сахаръ: бѣлокъ, полученный на счетъ такого сахара оказался бы непомѣрно дорогимъ ¹³). Нужный для производства сахаръ приходится, слѣдовательно, заимствовать у дешево работающаго зеленаго растенiя. Въ Германiи, какъ говорилось выше, на это идетъ сахаръ мелассы, или черной патоки свекловичнаго производства, которая содержитъ его до 50% и потому представляетъ собой отнюдь не отбросъ, а цѣнный побочный продуктъ означеннаго производства; существуютъ выгодные технически химическiе способы выдѣленiя изъ мелассы заключающагося въ ней сахара въ чистом видѣ, а въ сельскомъ хоэяйствѣ она находитъ себѣ широкое примѣненiе въ качествѣ корма скоту: ею сдабриваютъ такъ называемые "грубые корма" — хоботье, соломенную рѣзку и пр. Замѣна мелассы болѣе дешевыми источниками углероднаго питанiя дрожжей — очередная задача усовершенствованiя производства. Въ литературѣ уже имѣются указанiя на возможность использованiя для культуры кормовыхъ дрожжей содержащаго сахаръ картофельнаго сока, получаемаго на крахмальныхъ заводахъ; могутъ имѣть значенiе и такъ называемые "щелока" целлюлёзнаго производства. Большiя надежды возлагаются на техническое усовершенствованiе способовъ превращенiя въ сахаръ клѣтчатки и древесины ¹⁴).

Особенно удачно разрѣшается вопросъ объ азотистомъ питанiи дрожжевыхъ организмовъ въ виду ихъ способности ассимилировать азотъ аммонiйныхъ солей и другихъ производныхъ аммiака (аминовъ и амидовъ). Вопросъ о техническомъ добыванiи аммiака путемъ синтеза его изъ элементовъ является въ настоящее время, какъ мы видѣли, вполнѣ разрѣшеннымъ, и кормовыя дрожжи могутъ, такимъ образомъ, получать необходимый для синтеза бѣлковъ азот изъ неисчерпаемаго запаса нашей атмосферы ¹⁵).

Однако, въ Германiи въ условiяхъ военнаго времени трата аммiака при культурѣ дрожжей на бѣлокъ окаэалась не цѣлесообразной: война предъявляетъ колоссальный спросъ на взрывчатыя вещества, для производства которыхъ необходима азотная кислота, а послѣдняя можетъ быть получена (и фактически получается) изъ аммiака путемъ его окисленiя.

Пришлось, такимъ образомъ, обратиться къ другимъ источникамъ азота.

Хорошо знакомый врачамъ фактъ, что содержащая сахаръ моча дiабетиковъ легко подвергается броженiю, навелъ извѣстнаго химика Лассаръ-Кона на мысль использовать въ качествѣ источника азота при культурѣ кормовыхъ дрожжей мочу домашнихъ животныхъ. Опыты, поставленные по предложенiю Лассаръ-Кона въ Берлинскомъ Институтѣ Бродильной Промышленности, увѣнчались полнымъ успѣхомъ, и новый способъ снабженiя кормовыхъ дрожжей азотомъ немедленно получилъ практическое осуществленiе.

Для культуры дрожжей по этому способу ¹⁶) берутъ разведенную водой мелассу, смѣшиваютъ съ мочей и прибавляютъ нужное количество необходимыхъ минеральныхъ соединенiй. Питательную среду помѣщаютъ въ объемистый резервуаръ, засѣваютъ дрожжами и продуваютъ воздухъ. Для полученiя полнаго урожая требуется менѣе сутокъ.

Особенно удобно вести производство кормовыхъ дрожжей по этому способу въ крупныхъ благоустроенныхъ хозяйствахъ съ рацiонально поставленнымъ скотоводствомъ ¹⁷), такъ какъ въ этомъ случаѣ отпадаетъ необходимость сушить, хранить и транспортировать получаемыя дрожжи: весь урожай ихъ немедленно скармливается скоту на мѣстѣ въ сыромъ видѣ. Бѣлокъ потребленныхъ животными дрожжей переваривается, расщепляется въ ихъ организмѣ, и азотъ его черезъ опредѣленное время вновь выдѣляется наружу въ формѣ азотистыхъ соединенiй мочи (мочевины и пр.), снова идущихъ на синтезъ бѣлка новой генерацiей дрожжевыхъ клѣтокъ. Получается непрерывный и быстрый круговоротъ азота: азотъ, сегодня выдѣленный животнымъ въ формѣ мочевины, завтра возвращается ему въ формѣ бѣлка.

Конечно, азотъ мочевины не теряется для синтеза бѣлка in vivo и при обычномъ веденiи хозяйства, когда азотистые продукты обмѣна домашнихъ животныхъ попадаютъ въ поле съ навозомъ и, пройдя въ почвѣ (подъ влiянiемъ бактерiй) рядъ химическихъ превращенiй ¹⁸) (мочевина → аммiакъ → нитритъ → нитратъ), отдаютъ свой азотъ зеленому растенiю въ формѣ нитратовъ. Здѣсь, въ клѣткахъ зеленаго растенiя синтезъ бѣлка идетъ на счетъ этихъ полученныхъ корнемъ нитратовъ и продуктовъ ассимиляцiи СO₂ и Н₂O, постепенно образующихся въ хлорофилловыхъ зернахъ при посредствѣ энергiи солнечнаго луча ¹⁹).

Ясно, что круговоротъ азота — отъ растенiя къ животному и обратно — имѣетъ мѣсто и въ этомъ случаѣ, но идетъ несравненно медленнѣе: зеленое растенiе въ полѣ даетъ въ годъ 1 урожай, кормовыя дрожжи на заводе — 365 урожаевъ. И въ этомъ — въ быстротѣ размноженiя и развитiя — ихъ техническое преимущество передъ автотрофнымъ зеленымъ растенiемъ, работающимъ дешево, но недостаточно быстро.

Для растительнаго организма характерно крайне бережное, экономическое отношенiе к азоту.

Въ то время, какъ мочевина, конечный продуктъ диссимиляцiи бѣлковъ въ организмѣ животнаго, является типичнымъ физiологическимъ отбросомъ, подлежащимъ тщательному удаленiю при посредствѣ спецiальныхъ органовъ выдѣленiя (почки), аналогичный продуктъ распада бѣлковъ въ клѣткахъ высшаго растенiя — аспарогинъ — за предѣлы организма не выводится и при наличности достаточнаго количества безазотистыхъ органическихъ соединенiй (сахара) можетъ, какъ говорятъ, регенерироваться въ бѣлокъ ²⁰).

Соответствующiя наблюденiя показываютъ, что при условiяхъ, исключающихъ ассимиляцiю (въ темнотѣ), въ растенiи накопляется аспарагинъ; на свѣту, при условiяхъ, благопрiятствующихъ образованiю углеводовъ путемъ ассимиляцiи, — накопившiйся въ темнотѣ аспарагинъ постепенно исчезаетъ, образуя съ безазотистыми ассимилятами бѣлокъ путемъ ряда сложныхъ химическихъ превращенiй.

Такимъ образомъ, кромѣ великаго круговорота азота ²¹) между животнымъ и растительнымъ мiромъ, атмосферой, океаномъ и почвой существуетъ еще малый, микроскопическiй, внутриклѣточный круговоротъ, идущiй въ предѣлахъ каждаго органа, каждой жизнедѣятельной клѣтки растительнаго организма.

Въ клѣткѣ высшаго растенiя аспарагинъ + сахаръ даетъ бѣлокъ. Клѣтка животнаго лишена способности регенерировать бѣлокъ насчетъ мочевины и сахара. Человѣкъ при посредствѣ дрожжевого грибка восполняетъ этотъ пробѣлъ, и мочевина перестаетъ быть отбросомъ. Въ хозяйствѣ человѣка животное съ работающими рядомъ съ нимъ дрожжами образуетъ какъ бы новый сложный организмъ — физiологическую систему, подобную не содержащимъ хлорофилла частямъ высшаго растенiя: нѣтъ поступленiя сахара — накопляется продукт бѣлковаго распада, есть сахаръ — регенерируется бѣлокъ.

Необходимый для регенерацiи бѣлка углеводъ (сахаръ) въ обоихъ случаяхъ доставляется ассимилирующими органами зеленаго растенiя.