Текст книги "Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий"

Автор книги: Генрих Эрлих

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 19 страниц) [доступный отрывок для чтения: 7 страниц]

Следствием этого объединения стало то, что ферменты на какое-то время отошли на второй план. Сначала надо было разобраться с внутренним устройством белков, а уж потом приниматься за их более сложных братьев. Об этом устройстве даже в 1930-е годы было известно крайне мало. Большинство ученых, основываясь на работах Фишера и Штаудингера, сходились в том, что белки – это полимерные молекулы, составленные из фрагментов аминокислот, соединенных пептидной связью. Доподлинно знали только состав белков – все известные на тот момент белки состояли из двадцати различных аминокислот. Оценки молекулярного веса белков показывали, что общее число аминокислот в различных белках может составлять десятки, сотни и даже тысячи. Это все.

В какой последовательности соединены аминокислоты в белке? Да и есть такая строго определенная последовательность? Как бы изобретательна ни была Природа, осуществить такую точную сборку из тысяч строительных блоков даже ей не под силу, считали многие ученые. Так, может быть, все дело в соотношении различных аминокислот в белке? Но почему небольшие различия в этом соотношении приводят к получению белков с совершенно разными свойствами? И чем вообще обусловлены уникальные и разнообразные биологические свойства белков – молекул чрезвычайно простых с химической точки зрения? Ответить на все эти вопросы было не под силу одному человеку, даже гениальному. Впрочем, без гениев дело не обошлось. О двух из них я расскажу.

Подчиняясь логике ответов на вопросы, начну с более молодого.

Биография Фредерика Сенгера по-своему уникальна. В его жизни не было нужды и лишений, мучительных поисков своего призвания, многократной смены видов деятельности, места жительства и жен, непризнания его открытий и травли со стороны завистливых коллег. Его жизнь – прямая как рельса, эталон “нормальной”, с точки зрения большинства людей, жизни, ее стоит описать хотя бы ради того, чтобы как-то уравновесить все остальные “ненормальные” биографии. И, конечно, потому, что Фредерик Сенгер – единственный в истории лауреат двух Нобелевских премий по химии.

Родился он в 1918 году в Англии во вполне благополучной и обеспеченной семье. Вскоре после этого его отец, практикующий врач, ударился в квакерство[19], что наложило неизгладимый отпечаток не только на воспитание, но и на всю жизнь Фредерика. В 1936 году Сенгер поступил в престижный колледж Св. Иоанна в Кембридже (в этом городе он живет и поныне). Окончил колледж в числе лучших в 1939 году, на следующий год женился. Тут его жизнь, как и жизнь всех современников, чуть было не пошла наперекосяк из-за разразившейся Второй мировой войны, но он был квакером и имел по закону право отказаться от несения воинской службы. Он и отказался, а в 1943 году защитил диссертацию по биохимии.

В сущности, первое же самостоятельное научное исследование принесло Сенгеру всемирную славу. Он установил точное строение одного из белков – бычьего инсулина. Почему был выбран именно инсулин? Во-первых, в то время уже понимали роль инсулина при диабете, во-вторых, бычий инсулин был одним из немногих белков, доступных в чистом виде, и, наконец, это был самый маленький из известных белков – как выяснилось, он состоял всего из 51 аминокислоты[20].

Сенгер придумал, как определить последовательность аминокислот в белке. Для этого он “разрезал” его на фрагменты – олигопептиды, состоявшие из небольшого количества аминокислот. Сделать это можно с помощью гидролиза кислотой или все тех же ферментов, выполняющих аналогичную роль в организме. Затем Сенгер разделял между собой и идентифицировал все эти фрагменты. У химиков для этого есть универсальный прием – сравнение с эталоном, специально синтезированным веществом с известной структурой. Понятно, что из двадцати различных аминокислот можно составить огромное количество, например, трипептидов (203=8000), но делать было нечего, пришлось синтезировать. И это было только первым этапом. Давайте представим, что каждая аминокислота обозначается своей буквой, и после анализа мы получили фрагменты ник и ель . Как они соединяются в белке? Это может быть никель или ельник , возможно также, что они далеко разнесены и между ними вклинились другие фрагменты: ник итасрубил ель . Чтобы прояснить это, надо взять другой фермент (каждый из них разрезает белок по-своему), повторить операцию и так до тех пор, пора все фрагменты, полученные во всех экспериментах, не сложатся в одну-единственную последовательность. Умопомрачительная работа, особенно если делать ее впервые в истории, не имея под рукой необходимых реактивов и отработанных методик. Сенгер затратил на нее семь лет.

Он установил, что инсулин состоит из двух полипептидных цепочек, составленных из 30 и 21 аминокислот, соединенных между собой двумя дисульфидными мостиками. Из его данных также следовало, что аминокислоты в белке располагаются в строго определенной последовательности, а не хаотически. Кроме того, разработанный им метод был универсален и мог быть использован для установления строения любого белка. По проторенной дорожке анализ делался намного быстрее, и вскоре было установлен еще один принципиальный факт – каждый белок характеризуется уникальной аминокислотной последовательностью.

Это был подлинный прорыв и триумф. В 1958 году Сенгер получил свою первую Нобелевскую премию по химии. Как признавал сам Сенгер в автобиографии, столь быстрое признание немало помогло ему в жизни. Звание нобелевского лауреата дает всякие приятные привилегии: не надо заботиться о хлебе насущном и заниматься преподаванием, можно забыть о всяческих нудных административных обязанностях и полностью сконцентрироваться на науке или почивать на лаврах, это кому как нравится. Сенгер был довольно молод и выбрал занятия наукой.

В это время он перешел работать в кембриджскую Лабораторию молекулярной биологии вместе с Максом Перуцем (1914–2002), Джоном Кендрю (1917–1997), Аароном Клюгом (род. в 1926 г.) и Фрэнсисом Криком (1916–2004), все сплошь свежеиспеченные или будущие нобелевские лауреаты. Наступала эра ДНК, и вполне естественно, что интересы Сенгера сместились в эту область. Тем более что первостепенная задача там была все той же – установление точной последовательности нуклеотидов в цепи. Поначалу Сенгер использовал подход, столь успешно зарекомендовавший себя при исследовании белков, но по мере развития работ он внес в него много принципиальных изменений и усовершенствований. Сенгер упустил приоритет в анализе РНК, но восполнил потерю при анализе ДНК. Руководимой им группе удалось впервые расшифровать структуру ДНК бактериофага (5386 нуклеотидов), а затем митохондриальной ДНК человека (16 569 пар оснований). Разработанные Сенгером методы секвенирования ДНК были затем использованы при анализе генома человека. А сам он в 1980 году получил за эти работы вторую Нобелевскую премию по химии.В 1983 году в возрасте 65 лет Сенгер, как принято в цивилизованных странах, вышел на пенсию и с тех пор занимается садоводством в своем небольшом поместье близ Кембриджа. По его собственному признанию, вера в Бога покинула его.Сенгер ответил на вопрос о последовательности аминокислот в белках, сейчас мы называем это первичной структурой белка. Но еще до исследований Сенгера было понятно, что первичной структурой дело не ограничивается, должна быть как минимум еще одна, вторичная структура. Вытекало это из простого наблюдения: белки при нагревании денатурируют, буквально – теряют свою природу, свои свойства, причем необратимо, безвозвратно. Пептидные связи в этих условиях не разрываются, то есть первичная структура сохраняется, следовательно, разрушается что-то еще. Разрешил проблему еще один гениальный ученый, также лауреат двух Нобелевских премий. Но с Сенгером его никто не сравнивает. По мнению многих ученых, он стоит в одном ряду с Эйнштейном и Ньютоном. Звали его Лайнус Карл Полинг.

Он родился в 1901 году в Портленде, США, в малообеспеченной семье. Вслед за ним родились две его сестренки, а в 1910 году их отец умер от прободения язвы желудка, оставив семейство практически без средств к существованию. Аттестат зрелости Полинг так и не получил (ему вручили его через сорок пять лет в знак уважения заслуг тогда уже дважды нобелевского лауреата), впрочем, у него были на то уважительные причины – вместо сдачи положенных экзаменов он зарабатывал деньги для продолжения образования. Потеряв год, Полинг поступил в колледж. Он еще не определился со своим призванием и слушал все курсы подряд, от математики до современной английской прозы и опять же непрерывно зарабатывал деньги на оплату учебы, житье-бытье и помощь матери. А на втором курсе Полингу несказанно повезло: ему предложили преподавать студентам количественный анализ, который он сам только что освоил. За сорок часов работы в неделю ему платили аж 25 долларов. Но жизнь постепенно налаживалась. Полинг определился с призванием – им стала химия, окончил университет, перебрался в Калифорнийский технологический институт, знаменитый Калтех, и в 1925 году защитил там диссертацию.

Его работа была связана с использованием метода рентгеноструктурного анализа, изобретенного за десятилетие до этого. При просвечивании кристалла рентгеновскими лучами на фотопластинке возникал сложный узор, состоящий из точек и дужек. Это было не изображение атомов или молекул, а образ плоскости, состоящей из атомов определенного сорта и расположенных в кристалле в строгой периодичности. Эта плоскость выступала в качестве дифракционной решетки для рентгеновских лучей. Из этого узора путем неочевидных и сложных математических вычислений можно было выявить картину пространственного расположения атомов в кристалле и рассчитать расстояние между центрами атомов. Отсюда, исходя из предположения о плотнейшей упаковке атомов в кристалле, можно было с высокой точностью оценить размер атома. Если же кристалл состоял из молекул некоего вещества, то можно было определить геометрию этой молекулы и рассчитать длину химической связи между определенными атомами. Все эти данные вывели химию на новый уровень развития. Для успешной расшифровки рентгеновских дифрактограмм надо было обладать высокой интуицией и хорошей математической подготовкой. С этим у Полинга все было в порядке.

В 1926 году Полинг отправился на двухлетнюю стажировку в Европу к Арнольду Зоммерфельду (1868–1951), Нильсу Бору (1885–1962), к тому времени уже нобелевскому лауреату по физике за создание теории строения атома, и Эрвину Шрёдингеру (1887–1961). Попал Полинг, как говорится, к самой раздаче, ведь именно в 1926 году Шрёдингер предложил свое знаменитое уравнение, легшее в основу квантовой механики. Полинг немедленно включился в работы в этой новой области науки и большую часть стажировки провел в Цюрихе, вместе с его ровесниками Вальтером Гейтлером (1904–1981) и Фрицем Лондоном (1900–1954), которые занимались первым квантово-механическим анализом молекулы водорода.

Во всей этой славной компании отцов – основателей квантовой механики Полинг был единственным химиком, что несомненно давало ему некоторое преимущество. Физики были сосредоточены на атомах, а он – на молекулах. Так что именно Полингу было суждено продвинуться дальше всех в квантовомеханическом объяснении природы химической связи. Многое из того, что составляет теоретическую часть современного школьного курса химии, создано Полингом. Природа ионной и ковалентной связи, шкала электроотрицательности элементов, гибридизация атомных орбиталей, объяснение строения различных органических соединений, от метана до бензола, – это все Полинг. Результаты своих десятилетних упорных исследований он обобщил в монографии “Природа химической связи и структура молекул и кристаллов”, вышедшей в 1939 году (в СССР – в 1947 г.) и ставшей настольной книгой нескольких поколений ученых.

В 1954 году Полингу за эти работы присвоили Нобелевскую премию по химии. В это время он уже занимался совсем другим. Полинг был увлекающимся человеком. И если уж он увлекался каким-нибудь делом, то отдавался ему со всей страстью. Но больше всего поражало то, что таких “страстных” дел у него одновременно было несколько и на все хватало времени и сил.

В середине 1930-х годов Полинг увлекся белками и доказал, в частности, что структура гемоглобина изменяется при связывании молекулы кислорода. Вот тогда-то он и попытался установить строение белков, просвечивая их кристаллы рентгеновскими лучами. Но картинки получались слишком запутанными из-за сложности строения самих белков, размытыми из-за несовершенства аппаратуры, да и обсчитать их было просто физически невозможно из-за отсутствия электронно-вычислительных машин – все расчеты в то время делались вручную! И тогда Полинг призвал на помощь свой мощный интеллект и представил себе, как может быть устроен белок. Перед его мысленным взором возникла спираль, в которую закручивается полипептидная цепь белка. Эта спираль с шагом в 0,54 нм скрепляется так называемыми водородными связями, образующимися между фрагментами аминокислот, находящимися на разных участках цепи. Еще одним вариантом самоорганизации полипептидной цепочки было образование “гармошки” подобной сложенному листу бумаги, эти структуры так и назвали – бета-листами, по аналогии с предыдущей структурой, которая получила название альфа-спирали. Так возникло представление о вторичной структуре белков, и в скором будущем гипотеза Полинга получила прямые экспериментальные подтверждения.

Эту работу Полинг завершил в 1951 году, а на подходе была уже новая проблема – установление структуры ДНК. Мало кто сомневался, что именно Полинг сможет разрешить эту проблему в кратчайшие сроки, но судьба распорядилась иначе. Некоторые авторы объясняют эту относительную неудачу вмешательством политики, но все обстояло проще. Полинг какое-то время исходил из неверного предположения (такое случается даже с гениями) об образовании тройной спирали, в результате на финишной прямой его обошли Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон, молодые, да ранние. Но о перипетиях этой великой гонки – отдельная глава, здесь же расскажу о злодейке-политике.

Полинг стал пацифистом отчасти по внутреннему убеждению, отчасти под влиянием жены. Он отказался участвовать в Манхэттенском проекте, а в 1946 году вместе с Альбертом Эйнштейном, с чьей подачи, собственно, и началась разработка атомного оружия, выступил за ограничение работ в этой области. В 1952-м сенатская комиссия США во главе с Маккарти записала Полинга в коммунисты и постановила изъять у него паспорт для заграничных поездок. Но такие мелочи “увлекшегося” Полинга остановить не могли, и он продолжил свои выступления. В 1962 году за антивоенную деятельность ему была присуждена Нобелевская премия мира, а в 1970-м – аналогичная Ленинская премия, что возродило обвинения в коммунистических убеждениях. Полинг, конечно, не был коммунистом, он был просто честным и смелым человеком, пекущимся о будущем человеческой цивилизации.

Еще одно увлечение Полинга связано с медициной. К этому его подтолкнула жизнь – в 1941 году у него диагностировали хронический нефрит, тяжелое заболевание почек. Но его первое открытие в медицине было связано с другой болезнью – серповидноклеточной анемией. Полинг доказал, что она связана с нарушением строения белка гемоглобина, в сущности, это было первое выявленное “молекулярное” заболевание. А так как синтез белка в организме направляется генами, то открытие Полинга повлекло за собой резкую интенсификацию исследований в области генетических заболеваний. Полинг также много занимался изучением роли белков и ферментов в функционировании мозга и полагал, что возрастные изменения мыслительных способностей связаны с нарушением функций белков. Эти его мысли полувековой давности очень созвучны современным представлениям о причинах болезни Альцгеймера.

Но затем его медицинские интересы сместились в другую сторону. В книге “Как жить дольше и чувствовать себя лучше” Полинг предложил новую панацею от всех болезней – витамины. Особенной его любовью пользовался витамин С – аскорбиновая кислота, которую он рекомендовал принимать по три грамма в день. Полинг был убежден, что витамины способны победить даже рак. Независимые медицинские испытания не подтвердили эту его теорию, но так называемая “мегавитаминная терапия” приобрела в 1970-е годы вселенский масштаб, помню, как мы тогда ели горстями эти витамины, все какие могли достать. Затем психоз спал и при упоминаниях об этих работах Полинга мы крутили пальцем у виска, неполиткорректно намекая на старческий маразм – слова “Альцгеймер” мы тогда не знали.

А Полинг тем временем увлекся еще одной грандиозной идеей – созданием теории атомного ядра. Ею он занимался на протяжении тридцати лет до самой своей смерти. Несмотря на витамины, он все-таки заболел раком – раком простаты, который свел его в могилу в 1994 году.

То, что не удалось сделать Полингу, на новом этапе развития науки и техники совершили уже упоминавшиеся английские исследователи Макс Перуц и Джон Кендрю из Кембриджа. В 1959 году они расшифровали структуру белка гемоглобина, за что незамедлительно, в 1962 году, получили Нобелевскую премию по химии. Лиха беда начало, структуры разнообразных белков и ферментов посыпались как из рога изобилия, счет быстро пошел на сотни и тысячи. Эти исследования не только подтвердили гипотезу Полинга о вторичной структуре белка, но выявили существование третичной структуры – следующего этапа самоорганизации молекулы белка, при которой он сворачивается в глобулу (чаще всего) диаметром в десятки нанометров или формирует протяженные структуры толщиной в несколько нанометров , из которых состоят, например, наши мышцы[21].

Разобрались, естественно, и с внутренним устройством ферментов. Центральное место в них занимает так называемый активный центр, состоящий из нескольких фрагментов аминокислот и часто включающий в себя ион металла. На этом центре и происходит превращение молекулы субстрата, вся же остальная часть белка выполняет функции инфраструктуры: формирует “замочную скважину”, поддерживает определенную кислотность среды внутри белка и, наконец, фиксирует молекулу субстрата в определенном положении, наиболее удобном для тонкой хирургической операции, выполняемой активным центром. В сущности, “старики” во главе с Вильштеттером были не так уж и неправы, белок выступает в качестве своеобразного носителя собственно энзима – активного центра.

После этих исследований начался бум ферментативного катализа, который пришелся на 1970-е – начало 1980-х годов.Но прежде я предлагаю вам вернуться немного назад и послушать рассказ еще об одной работе, которая по праву считается одним из крупнейших достижений химии второй половины XX века, и о человеке, который сделал то, что многим казалось невозможным.Роберт Брюс Меррифилд родился в 1921 году в Форт-Уэрте, Техас. Его детство пришлось на годы Великой депрессии, семья, перебравшись в Калифорнию, переезжала с места на место, в поисках работы и лучшей доли. Сам Меррифилд как-то подсчитал, что он посещал в общей сложности около сорока разных школ. Тем не менее в нем пробудился интерес в науке и конкретно к химии. В 1938 году он поступил в Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, но годы учебы затянулись – степень Ph.D. по химии Меррифилд получил лишь в 1949 году. Зато затем события последовали с калейдоскопической быстротой: 18 июня защитился, 19-го – женился, 20-го – отправился на другой конец Америки, в Нью-Йорк, в Рокфеллеровский институт медицинских исследований, где и провел все годы своей научной карьеры.

Меррифилду выпало работать в области синтеза пептидов, тогда такой “наработкой” занималось множество исследователей, включая Сенгера. При всем том идеология синтеза практически не изменилась со времен Эмиля Фишера. Пептид последовательно удлиняли, приставляя к нему новую аминокислоту. Проблема заключалась в том, что пептиды и аминокислоты – вещества одной природы, молекулы аминокислоты с не меньшей охотой реагировали между собой, чем присоединялись к пептиду. Чтобы избежать этого нежелательного процесса, химики используют разные ухищрения, в результате присоединение одной кислоты превращается в многостадийный процесс. Но это маленькая проблема, большая же заключается в выделении целевых веществ из реакционного раствора, содержащего множество других компонентов. Упаривание раствора, осаждение, перекристаллизация – при всех этих операциях теряется много вещества. Обычное дело: синтетик стартует с килограмма исходного вещества, а по прошествии месяца работы и множества стадий получает на выходе несколько маленьких крупинок продукта.

В 1959 году Меррифилд дозрел до мысли: “Необходим быстрый, количественный, автоматизированный метод синтеза длинных пептидных цепей”. Он придумал нетривиальную вещь: привить первую аминокислоту к твердой поверхности (полимеру), затем нарастить пептидную цепь “по Фишеру”, а по окончании процесса “отрезать” полученный полипептид от поверхности. Изюминка заключалась в том, что все трудоемкие операции выделения промежуточных веществ заменялись простой промывкой гранул полимера, при этом, понятно, никаких потерь вещества не происходило.

На отработку метода у Меррифилда ушло три года. В 1963 году в журнале Американского химического общества была опубликована его статья с изложением основных принципов и экспериментальных особенностей “твердофазного” синтеза пептидов. У статьи был только один автор, что даже в те времена считалось редкостью, а в наши так и вовсе чем-то невообразимым. Сейчас эта статья входит в пятерку самых цитируемых за всю историю существования этого престижнейшего журнала. У руководителей Института медицинских исследований было на сей счет, судя по всему, собственное мнение, и они прохладно отнеслись к идее Меррифилда о создании автоматического синтезатора пептидов. Возможно, просто не верили в осуществимость этой идеи, как не верили все остальные, за исключением самого Меррифилда и двух его друзей.

Они работали в подвале дома Меррифилда и через два года собрали первую автоматизированную установку. Гранулы полимера с растущим на его поверхности пептидом располагались в стеклянной колонке, через которую с помощью насоса прокачивались растворы аминокислот, других различных реагентов и промывные жидкости, которые в свою очередь засасывались по заданной программе из емкостей, расположенных вокруг установки. С тех пор в принципиальной схеме установки мало что изменилось, разве что добавились анализатор выходящего из колонки раствора, работающий в режиме обратной связи, и компьютер, управляющий работой всей системы.

Для начала Меррифилд с коллегами синтезировали на установке несколько пептидных гормонов, затем сразу перешли к синтезу белков – давней и тайной мечте Меррифилда, ради которой он, собственно, и затеял весь этот проект. Как вы уже наверно догадались, синтезировали они инсулин. В принципе его получали химическим путем и раньше, на это у группы профессиональных химиков-синтетиков уходило несколько месяцев. Меррифилд уложился в три недели.

В 1969 году Меррифилд вместе с Берндом Гутте синтезировал фермент рибонуклеазу А, состоящую из 124 аминокислот. Для этого им, а точнее говоря, автомату, пришлось осуществить 369 стадий химического синтеза[22] и около десяти тысяч различных технологических операций. При этом исследователи получили еще один принципиальный результат. Рибонуклеаза – это вам не инсулин, гормон по сути и строению. Рибонуклеаза – фермент со сложной третичной структурой и специфической каталитической активностью. Так вот оказалось, что синтезированная полипептидная цепочка при определенных условиях самоорганизуется в фермент, ничем не отличимый от природного аналога. Так был перекинут еще один мостик между неживой и живой природой.

Конечно, никто сейчас белки и ферменты так не синтезирует, природа справляется с этим намного лучше. И не все получается так гладко, как я вам только что описал, у метода твердофазного синтеза, как и у любого метода, есть свои недостатки и ограничения. “Сборка” полипептидов с длиной более 100 аминокислот признана в настоящее время экономически и технически нецелесообразной. Но ведь число “коротких” пептидов измеряется сотнями тысяч и многие из них востребованы в научных исследованиях, в медицине и биотехнологических процессах. Сейчас вам под заказ синтезируют за день любое из этих соединений, требуется лишь написать на листке последовательность аминокислот в нужном вам полипептиде, которую оператор затем введет в процессор автоматического синтезатора.

Меррифилд на этом не остановился. Он создал аналогичные установки для синтеза полисахаридов, в которых в цепочку соединяются различные молекулы углеводов и нуклеиновых кислот, фрагментов ДНК и РНК. Как мы увидим в следующей главе, сейчас без этих коротких олигонуклеотидных последовательностей, так называемых праймеров, не обходятся ни генные технологии, ни медицинская диагностика.В 1984 году Меррифилд был удостоен Нобелевской премии по химии. Будь моя воля, я бы присудил ему еще одну Нобелевскую премию за беспрецедентный поступок: ни он сам, ни Рокфеллеровский институт не запатентовали метод твердофазного синтеза, хотя имели для этого все возможности и основания. Они отдали его в безвозмездное пользование людям. Возможно, причина кроется в том, что Меррифилд был бойскаутом и до конца своих дней (он скончался в 2006 году) принимал активное участие в бойскаутском движении вместе с шестью своими детьми. Будь готов! Всегда готов!В настоящее время известно более 3700 ферментов, различающихся по катализируемым ими реакциям, установлена детальная структура большинства из них, многие используются в тонком органическом синтезе, фармацевтической промышленности, бытовой химии, сельском хозяйстве и защите окружающей среды. Между тем бум ферментативного катализа с очевидностью спал. В новостных лентах науки ферменты ушли в тень генных технологий, в промышленных же биотехнологиях, где ферменты работают де-факто, де-юре главенствуют микроорганизмы. Но можно сказать и так: ферменты стали настолько привычным элементом ландшафта науки, что при обсуждении “революционных” нанотехнологий о них зачастую просто забывают.

Падение общественного интереса к ферментам имеет и объективные причины. Эйфория 1970-х годов подогревалась верой во всесилие ферментов – без этапа “великих ожиданий” не обходится развитие ни одной новой области науки и техники.

Между тем ферменты не всесильны. За миллиарды лет эволюции Природа настроила их на осуществление строго определенных процессов, у людей же свои интересы. Нам для удовлетворения наших аппетитов нужно множество веществ и материалов, которые не значились в планах Природы, так что при их производстве природные катализаторы – ферменты нам не помощники. Высокая избирательность ферментов, их главное достоинство, сработала против них.

Кроме того, с нашей человеческой точки зрения ферменты нетехнологичны. Они слишком нежные создания и привыкли работать в тепличных условиях, при температуре живого организма. Стоит чуть поднять температуру (а это стандартный способ увеличения скорости процесса), как их активность падает, а то они и вовсе денатурируют. Да и работать они могут только в водных растворах, а воду технологи терпеть не могут – как растворитель она слишком активна и требует огромных затрат энергии на испарение – то ли дело органические растворители! И наконец, ферменты, по сути дела, катализаторы одноразового использования, их чрезвычайно трудно отделить от продуктов реакции без потери активности. Слишком дорогое получается удовольствие.Специалистам все эти недостатки были понятны с самого начала, просто они в своих полных оптимизма реляциях не акцентировали на них внимание. Но при этом значительную часть усилий направляли на преодоление этих недостатков. Именно энзимологи стали первыми химически “прививать” гомогенные катализаторы к поверхности твердого носителя. Так была решена проблема отделения от продуктов реакции (здесь энзимологи шли по пути, проторенному Меррифилдом) и многократного использования катализатора. В терминах сегодняшнего времени эти работы были примером конструирования нанообъектов. К поверхности неорганического материала – носителя – прививали органическую “ножку” длиной в несколько нанометров, а к ней в свою очередь молекулу фермента диаметром в десятки нанометров.Ученые стали также загонять ферменты в так называемые обращенные мицеллы. Это такие ассоциаты обычных поверхностно-активных веществ, растворенных в органических растворителях. В отличие от прямых мицелл, о которых я уже упоминал, в обращенных мицеллах полярные головки молекул ПАВ обращены внутрь, а углеводородные хвосты торчат наружу, как иглы ежа. И если прямые мицеллы способны поглощать органические вещества, то обращенные – воду, превращаясь, грубо говоря, в капельку воды диаметром в единицы и десятки нанометров, покрытую мономолекулярным слоем ПАВ. Если мы поместим в ядро обращенной мицеллы молекулу фермента, то он, находясь в привычной для него среде обитания, будет вести свойственные ему химические реакции, но формально процесс будет протекать в органическом растворителе, который служит резервуаром вещества, подвергаемого ферментативному превращению, и местом сбора продуктов реакции. В сущности, энзимологи придумали и впервые практически осуществили идею нанореактора , ключевую для современных нанотехнологий.

Еще одна амбициозная цель: создание новых ферментов, природных катализаторов, которых нет в природе. Сделать это стало возможным в результате глубокого проникновения в устройство ферментов и в механизм их формирования. Зная это, можно растянуть или сжать глобулу фермента, изменяя таким образом размер “замочной скважины” и настраивая фермент на новый субстрат. Можно дополнительно сшить полипептидную цепь фермента и застабилизировать его третичную структуру, препятствуя денатурации. Можно ввести в фермент новые аминокислотные фрагменты, повышающие, например, его термостабильность или способствующие фиксации на твердом носителе. Можно, наконец, внести изменения в состав активного центра фермента и тем самым создать катализатор принципиально новой реакции. Возможности такого тонкого конструирования на наноуровне практически безграничны, и это то, что с полным правом может называться нанотехнологиями.

Эти работы пока мало известны широкой общественности, но мне кажется, в ближайшие годы нас ждет вторая волна бума ферментативного катализа. Дело в том, что мы постепенно и неотвратимо возвращаемся к природе. Взлет цен на углеводородное сырье и экологические соображения заставляют уделять все большее внимание возобновляемым источникам сырья. А это в свою очередь повлечет за собой изменение всей идеологии химической промышленности. Так называемое биотопливо можно залить в бак автомобиля, и он после этого поедет. В химической промышленности это не проходит. В реактор, рассчитанный на углеводородное сырье, нельзя засыпать глюкозу, получаемую при гидролизе целлюлозы. То есть засыпать, конечно, можно, но ничего путного не получится. Необходимо разрабатывать новые технологии, причем принципиально новые, потому что все наше научное и технологическое мышление было заточено под углеводородное сырье, а что делать с кислородсодержащими природными соединениями, мы, честно говоря, понятия не имеем[23].