Переваривание (утилизация) крахмала и белков происходит у людей и микробов одинаково, с помощью ферментов. В клетках и тех, и других работают амилазы, расщепляющие крахмал, и протеазы, расщепляющие белки. Кроме того, клетки способны выделять ферменты и в окружающую среду. У человека и высших млекопитающих ферменты выделяются, в частности, клетками поджелудочной железы в кишечник. Здесь крахмал и белки разлагаются на свои строительные «блоки» — сахара и аминокислоты — и легко усваиваются клетками кишечника. В свою очередь у микроорганизмов выделенные наружу амилазы и протеазы расщепляют крахмал и белки в непосредственной близости от микроорганизмов, и микробы поглощают потом «переваренные снаружи» строительные блоки.

Вскоре после того, как было установлено действие пищеварительных ферментов, удалось выделить секрет[27] поджелудочной железы свиньи, который в высушенном и измельчённом виде стали применять при расстройствах пищеварения.

Но если амилазы и протеазы так хорошо работают и вне клеток человека и микробов, то почему бы не попробовать применить их для других целей?

Уже в 1907 г. у Отто Рема, владельца небольшой фирмы, возникла гениальная идея. Известно, что содержащие белок пятна от пота, крови, яичного желтка или других пищевых остатков удаляются с белья с большим трудом. Рем предложил добавлять к обычному моющему средству порошок, полученный из поджелудочной железы свиньи. При замачивании сильно загрязнённого белья в этом «ферментном» моющем средстве был получен удивительный эффект — пятна легко отмылись, так как протеазы поджелудочной железы расщепили белки на аминокислотные строительные «блоки». Так впервые было изготовлено моющее средство с биодобавками. Однако своё победное шествие моющие «биопорошки» начали лишь спустя 50 лет, когда взамен дорогого и не очень стабильного животного фермента удалось наладить массовое и дешевое микробиологическое производство подобных протеаз, в основном штаммов Bacillus. Эти Bacillus в отличие от большинства микробов предпочитают щелочную среду. И их протеазы лучше всего действуют в щелочных жидкостях, следовательно, они наиболее активны в мыльном растворе.

Сегодня около 80 % всех выпускаемых моющих средств содержат протеазы. В 1980 г. во всём мире было получено около 50 т бактериальных протеаз для биомоющих средств. При этом ферменты содержатся в моющих средствах буквально в «следовых» количествах[28]: на 1 кг моющего средства приходится 0,1 г фермента[29]. И даже при таких малых биодобавках сильно загрязнённое белье становится чистым. Ферменты моющих средств наиболее активны в температурном интервале 40—60 °С. Таким образом, они ещё помогают сэкономить энергию, которая в противном случае понадобилась бы для кипячения сильно загрязнённого белья. Впрочем, при полоскании ферменты вновь удаляются из белья.

Отто Рем (справа) впервые применил ферменты в кожевенном производстве, а также как добавку к моющим средствам. Апробация предложенного Ремом метода дубления кож.

Первое моющее средство «Burnus» с биодобавками появилось в 1914 г. В качестве активных биодобавок использованы ферменты животного происхождения. Однако свое триумфальное шествие «биомоющие» средства начали лишь после того, как стало возможным получать биотехнологическим способом дешёвые и устойчивые в мыльном щелоке ферменты микробов. (На плакате надпись: «„Burnus“ чудесно стирает бельё».)

Принцип «работы» биомоющих средств (вверху). Сравнение эффективности обычных и «биологических» моющих средств (внизу).

В некоторых странах препарат протеазы продаётся также в качестве «размягчителя» мяса (тендеризатор; от англ. tender — нежный). Им посыпают мясо за несколько часов до приготовления. Ферменты расщепляют жёсткие мышечные белки мяса и делают его нежным и сочным. Кстати, имеются и косметические средства для ухода за кожей, содержащие протеазы. При пользовании ими кожа становится свежей и розовой. Разумеется, эти мыла и кремы содержат совершенно ничтожные количества фермента!

В кожевенной промышленности протеазы микробного происхождения применяют для удаления со шкур волос и щетины и для дубления кож. Ранее для дубления применяли фекалии животных. Это была очень неприятная работа. И вот сегодня открыт секрет этого процесса: полезные свойства экскрементов, благодаря которым они использовались для дубления кож и удаления со шкур волос, основаны на том, что содержащиеся в них микробы выделяют протеазы.

В молочной промышленности также «работают» микробные протеазы: они расщепляют белок молока казеин, так как в связи с резко возросшим производством сыра сычужный фермент становится всё менее доступным. Однако методами генной инженерии уже получены такие бактерии, которые продуцируют в биореакторах сычужный фермент животных. В сельском хозяйстве протеазы примешивают к животному корму, для того чтобы сделать его более усвояемым.

Воздействуя протеазами на отходы переработки рыбы, можно отделить белок «до костей» и превратить его в смесь аминокислот — отличная добавка к корму для скота.

Область применения ферментов, расщепляющих белки, далеко не исчерпана вышесказанным. Разумеется, предпосылкой к этому является мощная биотехнологическая промышленность, способная дёшево и в больших количествах вырабатывать ферменты из микробов. Биотехнологи ведут интенсивный поиск таких микроорганизмов, которые продуцируют очень активные и стабильные ферменты. В качестве таких «рабочих лошадок» наиболее перспективны прежде всего микроорганизмы, выживающие в экстремальных условиях — в горячих вулканических источниках, в оттоках из рудных или серных источников, в бассейнах для добывания соли методом осаждения, в которых испаряется морская вода и остаётся кристаллическая поваренная соль, или же на морском дне под высоким давлением.

Однако часто даже не требуется снаряжать экспедиции к далеким вулканам для того, чтобы отыскать такие «живучие» микроорганизмы. В ГДР в Лейпцигском институте биотехнологии в «титане» с горячей водой были обнаружены бактерии, которые имели наибольшую активность при температурах между 75 и 92 °С.

Как же получают ферменты из микробов? Если речь идёт о протеазах и амилазах, то относительно просто: микробы, в частности штаммы Bacillus или леечной плесени Aspergillus, выращивают в белковых или крахмальных смесях. Затем побуждают микроорганизмы к усиленному выделению в окружающую жидкость протеаз, расщепляющих белки, или амилаз, расщепляющих крахмал. После отделения микробных клеток получают смесь непотреблённых питательных веществ и выделенных ферментов. Посредством центрифугирования тяжёлые молекулы, в данном случае ферменты, осаждаются в виде концентрированного донного осадка. Потребителям они отпускаются либо в жидком виде, либо в форме высушенного порошка.