Особенности зрения лягушки, звуколокационные устройства летучих мышей, сверхчувствительный приемник инфракрасного излучения у гремучей змеи, следящая система и безынерционная связь двигательного и зрительного аппаратов богомола — все это уже широко известные объекты исследования новой увлекательной науки—бионики.
Основная задача бионики — изучение принципов работы живой материи и создание на их основе приборов, аппаратов, машин, новой техники.
Пройдет время, и из наметившихся уже сегодня отдельных разделов бионики возникнут самостоятельные науки, скажем, механобионика, электробионика, бионика общая и техническая, прикладная бионика и так далее.
Одна из таких дочерних наук существует уже сегодня. Это химическая бионика, исследующая на молекулярном уровне механизм протекания и регуляции химических процессов в живой клетке. Она открывает путь к созданию принципиально новой химической технологии.
Чем же замечательна живая клетка, чему технолог может научиться у природы, «химический» опыт которой исчисляется миллионами лет?
СТУПЕНИ ПРОСТЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
Клетка — это совершенный химический комбинат, вызывающий восхищение своей компактностью, продуктивностью, надежностью. Полторы—две тысячи реакций протекают одновременно в одном «реакторе»— клетке. Поразительно не только их число, но и та высокая скорость, с которой они совершаются в так называемых мягких условиях — при «комнатной» температуре и нормальном давлении. Как резко отличает это микроскопическую клетку от современного химического производства с его высокими температурами и давлениями, с возможностью проводить одновременно всего несколько десятков реакций!
Попытаемся пояснить на конкретных иллюстрациях технологическое превосходство природы-химика.

Очень сильный бинокль требуется человеку, чтобы сравняться в зоркости с орлом. Но бинокль повышает разрешающую силу глаза за счет уменьшения поля зрения, а «кругозор» орла не ограничен какими-то рамками. Не поможет ли изучение особенностей органов зрения пернатых создать принципиально новые оптические приборы?
Глаз — это целое собрание нераскрытых патентов природы. Познание их супит технике неоценимые возможности.
В астрономических, физических, химических исследованиях ученый сталкивается с необходимостью регистрировать сверхслабые световые потоки. Делается это обычно с помощью специальных фотоумножителей. Лучшие образцы таких приборов способны регистрировать световые потоки в несколько десятков квант — чувствительность достаточно высокая. Но чувствительность глаза может достигать всего двух (!) фотонов — порог, недостижимый пока для современной аппаратуры.
Чем объясняется такой разрыв в технических возможностях! Причин тут несколько. Но вот две главные из них.
Действие фотоумножителей основано на физическом процессе выбивания квантом света одного электрона из слоя фоточувствительного вещества. Появление одного электрона вызывает нарастающую электронную лавину.
В основе работы глаза лежит принцип возбуждения квантом света химического ферментативного процесса. Этот процесс, при котором один квант света вызывает длинный ряд химических ферментативных актов и обеспечивает высокую светочувствительность глаза.

Глаз стрекозы — «кооперативный» аппарат, составленный из большого числа приемников света. Он обеспечивает почти круговой обзор и позволяет стрекозе воспринимать и цветное и черно-белое изображение. Принцип составления общей картины из отдельных ее фрагментов уже используется в электронно-оптических устройствах.
В приборах неизбежно возникает так называемый «шум» — электроны вырываются из светочувствительного слоя не только под действием квантов света, но и «сами по себе». Причем, чем выше температура этого слоя, тем больше электронов покидают его, тем сильнее становится «шум».
Глаз — устройство бесшумовое. Его работа свободна от подобных помех. Вот почему инженеры стремятся использовать те особенности механизма зрения, которые объясняют его огромную чувствительность и надежность.

Глаз лягушки замечает только движущиеся предметы. Детальный анализ принципов его устройства позволил, по сообщениям зарубежной печати, создать специальные радарные установки, используемые в аэродромной и авиационной технике
Основным сырьем для промышленности органического синтеза служат, как известно, нефть и природный газ. А главная составная часть этого сырья — насыщенные углеводороды, соединения, которые в недалеком еще прошлом называли «химическими мертвецами». Название это они заслужили за трудность превращения в более реакционноспособные классы соединений.
Сейчас считается, что наиболее рациональный способ переработки насыщенных углеводородов — прямое окисление их в ценные кислородсодержащие продукты: спирты, альдегиды, кетоны, кислоты-мономеры, растворители, полупродукты для различных производств. Механизм процесса окисления практически одинаков для самых разных веществ. И в нем наиболее трудная стадия, требующая значительной затраты энергии,— это момент зарождения свободных радикалов при реакции углеводорода с молекулой кислорода:
RН + О2 → R˙ + НО˙2.

Многие насекомые «видят» предметы по их запаху. Органы обоняния, расположенные на специальных «антеннах» — усиках, не только воспринимают запах, но и сообщают о форме пред¬мета. Чувствительность «живых» приемников запаха — несколько десятков молекул пахучего вещества в кубическом сантиметре воздуха. Огромные аналитические возможности для техники сверхчистых материалов, для экспресс-анализов смесей веществ, для систем регулирования и контроля таятся в использовании запахоанализаторов.
Свободные радикалы R˙ и НО˙2 — реакционноспособные частицы с ненасыщенными валентностями —взаимодействуют с исходными и промежуточными веществами и как бы на своих «плечах» ведут процесс превращения до конца.
Реакция идет при температуре 200—400° С и давлении в несколько десятков атмосфер. В этих режимах к материалам, из которых изготовлены реакционные емкости, предъявляются повышенные требования: в продуктах реакции кислота! В сталь для реакторов приходится вводить специальные дорогостоящие добавки.
В клетке тоже совершаются процессы окисления насыщенных углеводородов, но при обычной «комнатной» температуре и при нормальном давлении. В чем тут секрет? Оказывается, в том, что для превращения углеводорода в кислоту клетка избрала иной химический путь. В нем вообще отсутствует реакция взаимодействия RН с О2, о которой шла речь выше. В колбе или реакционной колонне первым промежуточным продуктом, первой «станцией» на пути окисления является гидроперекись углеводорода CnH2n+1O2H. В клетке — ненасыщенный углеводород CnH2n и образующаяся из него окись CnH2nO. Дальнейшее превращение углеводорода в условиях клетки и реакционной колонны можно проследить на рисунке.
Тут различны не только пути, но и способы перехода от одного промежуточного вещества к другому.
В реакционном аппарате они происходят под действием свободных радикалов; в клетке —под влиянием биологических катализаторов (ферментов). Свободные радикалы и ферменты — это два различных инструмента, при помощи которых выполняется одна и та же операция: превращение исходных веществ в продукты реакции. Неудивительно, что и сам механизм реакции в обоих случаях оказывается разным.
Самая главная особенность химических превращений в клетках —многоступенчатость. Показанный на рисунке путь окисления углеводорода в живой клетке — всего лишь грубая схема, здесь отмечены лишь главные «станции», основные промежуточные вещества. На самом же деле каждый отрезок пути складывается из нескольких превращений. Например, переход от насыщенного углеводорода CnH2n+2 к ненасыщенному CnH2n состоит из ряда промежуточных этапов, ускоряемых своими ферментами.
Благодаря такой «дробности» каждого превращения клетке удается осуществить самые сложные реакции при нормальном давлении и температуре. Каждое промежуточное превращение сопровождается незначительным изменением молекулы, не требующим больших затрат энергии. А мы из практики знаем, насколько легче и быстрее можно подняться на 5-й этаж дома по многочисленным ступеням лестниц, чем штурмовать «короткий» уступ такой же высоты. На пути окисления углеводорода в реакционной колонне таким «уступом» служит реакция образования радикалов R˙ и НО˙2 из RН и О2. Таким образом, многоступенчатость химических превращений плюс набор ферментов для перехода со ступени на ступень — это и есть секрет быстрых превращений вещества внутри клетки при низких температурах и давлениях.
НАДЕЖНОСТЬ, УМНОЖЕННАЯ НА НАДЕЖНОСТЬ
И в клетке и в реакторе химический процесс идет непрерывно. Он характеризуется определенной температурой, давлением, концентрациями веществ. Чтобы режим реакции был постоянен, необходимо поддерживать постоянство всех этих параметров. С этой задачей клетка справляется несравненно лучше, чем автоматические системы регулирования на химических предприятиях.
На каких принципах работает заводская система контроля и регулировки? Повысилась температура в реакционном аппарате — тут же увеличивается электрическое напряжение на концах термопары, введенной в аппарат. Затем электрический сигнал преобразуется в механический — включается система охлаждения аппарата или уменьшается скорость подачи исходных веществ. Сигналом может быть и другая характеристика режима — давление в аппарате, прозрачность среды, ее тепло- или электропроводность.
Но представим себе, что в контрольно-регулирующей системе нарушился один из электрических контактов, вышел из строя фотоэлемент, повредилась изоляция в обмотках электромотора. В результате — остановка производства, а в худшем случае — авария.
Клетка не может себе позволить хотя бы временного перерыва в химических процессах. Остановка грозит гибелью. Поэтому контрольно-регулирующая система клетки абсолютно надежна. И построена она на иных принципах, более тонких и пока для нас не осуществимых. В их основе — система линейно-перекрестных цепей множественных обратных связей. Что же это за система и как она работает?
Основной сигнальной характеристикой в клетке является концентрация вещества.

Некоторые змеи видят в абсолютной темноте. Они наделены специальными устройствами, которые воспринимают инфракрасную радиацию — тепловые потоки, излучаемые теплокровными животными. Самая совершенная аппаратура, созданная человеком, позволяет регистрировать тепловой поток в 10—2 кал/час.см2. Чувствительность портативных тепловых приемников змеи — существенно выше.
При постоянных внешних условиях скорость превращения исходного вещества А в конечное П в присутствии катализатора Е будет тем больше, чем больше концентрации веществ А и Е и чем выше активность катализатора. Все эти величины являются составными частями сигнально-управляющей или контрольно-регулирующей системы клетки.
Каталитическая активность фермента зависит от концентрации вещества П. Рост стационарной, характерной для нормального режима работы концентрации вещества П тут же понижает активность ферментной системы: в ферменте уменьшается число активных точек, с которыми соприкасаются молекулы исходного вещества. Значит продукт реакции, вещество П, способен воздействовать на процесс, приводящий к его образованию. Вот первая обратная связь, первый регулирующий механизм внутриклеточных процессов.
Если по каким-то причинам концентрация вещества П все же остается ненормально высокой и дело не может поправить первый механизм регуляции, вступает в действие второй. Сложным, еще не выясненным до конца путем, следует сигнал о замедлении или даже прекращении синтеза фермента, ускоряющего образование вещества П. Надо сказать, что в клетке ферменты постоянно синтезируются и разрушаются (иными словами, клетка сама снабжает себя катализаторами). В нормальном режиме скорость их образования и исчезновения одинакова. Нарушение режима заставляет включиться дополнительный резервный механизм регуляции — увеличение или уменьшение скорости синтеза фермента.
Но клеточная система регулировки не исчерпывается и этим. Мы только что говорили о многоступенчатости химического превращения в клетке. Так вот, тончайший и слаженный механизм регуляции действует на каждой ступени, на каждой стадии, т. е. тщательно контролирует каждое звено в цепи превращений:
Больше того, есть еще один дополнительный — контрольный механизм, который следит за всем процессом и чутко откликается на все изменения в нем. Активность фермента Е1 падает с повышением концентрации не только вещества В, но и П. Таким образом, конечный продукт длинной цепи превращений связан обратной связью с ее первым звеном. Отказала одна, две, три системы, регулирующие отдельные ступени процесса, концентрация конечного продукта изменилась, и это тут же сказалось на активности фермента Е1, открывающего цепь.
Так выглядит система регулировки в изолированной цепи ферментативных превращений. Конечно, это упрощенная модель. В условиях клетки все цепи тесно связаны друг с другом, они находятся под перекрестным регулированием, координирующим работу совокупности цепей. Но даже сказанное об одной цепи превращений делает очевидной огромную надежность внутриклеточной системы регулирования.
Естественно, что подобная система неразрывно связана со специфическим многоступенчатым ферментативным механизмом химических превращений в клетке. Оторвать одно от другого нельзя. Но, конечно, сами принципы множественных обратных связей со временем обязательно будут использованы на химических заводах.
СЕКРЕТНОЕ ОРУЖИЕ ФЕРМЕНТОВ
А теперь присмотримся к замечательным веществам— ферментам, которые руководят химическими процессами в клетке и обеспечивают систему их регулирования. Ферменты, один из основных клеточных секретов, отличаются от катализаторов, используемых химиками, тремя особенностями. Они неизмеримо сложнее по химическому строению благодаря своей белковой природе. Их каталитическая активность в сотни и тысячи раз больше, чем у синтетических катализаторов: даже ничтожных концентраций фермента достаточно, чтобы вести процесс с нужной скоростью. Наконец, действие ферментов отличается избирательностью. Из нескольких сотен превращений, протекающих в клетке, данный фермент ускоряет лишь один тип, а часто даже одну реакцию. Специфичность действия ферментов — свойство, которое позволяет им без помех работать в условиях одного резервуара — клетки, содержащего сотни разных веществ.

У рыб и птиц бионических загадок не меньше, чем у насекомых и змей. Какой орган и какой механизм взаимодействия с окружающей средой позволяет птицам уверенно ориентироваться в воздушном океане? Как находит голубь кратчайший путь к дому, если он, вылетая из клетки, не знает, где находится — южнее или севернее, восточнее или западнее дома? И как отыскивают «свои» реки и ручьи идущие на нерест рыбы? В чем секрет такой удивительной «памяти» — ответ пока не получен. Но, несомненно, раскрытие этих секретов сыграет огромную роль в вопросах земной, а может быть, и космической навигации.
Интересная особенность наблюдается у катализаторов, ускоряющих одну и ту же реакцию. Если катализатор обладает универсальным действием и способен помимо данной реакции ускорять и многие другие — он, как правило, отличается малой активностью. Самым сильным будет тот катализатор, который может ускорять только данную реакцию.
Значит, с повышением степени избирательности растет и активность ферментов. С подобным явлением мы встречаемся и в более простых случаях. Нож и специализированный деревообрабатывающий станок выполняют одну и ту же операцию — резание. Нож — универсальное орудие, с помощью которого можно сделать художественную резьбу, выстрогать шахматную фигуру или нарезать хлеб. Самый простой станок-автомат изготовляет только одну фигуру и только одного профиля, но делает это со скоростью, недоступной для ножа даже в самых искусных руках.
Какие преимущества получим мы, если сумеем вооружить промышленность катализаторами, подобными ферментам? Что изменится в характере химического производства? Но перед тем, как ответить на этот вопрос, выясним, какие именно реакции ускоряют ферменты, и представляют ли эти реакции интерес для заводской технологии.
Любое химическое превращение сводится к перераспределению химических связей между атомами. В биохимических процессах, протекающих под влиянием ферментов, разрушаются и образуются связи углерода с углеродом (С—С), азотом (С—N), кислородом (С—О, С = 0), водородом (С—Н) и серой (С—S); азота, кислорода и серы с водородом (N—Н, О—Н, S—Н), фосфора с кислородом (Р—О), серы с серой (S—S) и азота с азотом (N—N). Этим, в основном, исчерпывается круг биохимических превращений. Но круг этот настолько широк, что охватывает большую долю всех химических процессов, реализуемых сегодня в промышленности.
По-видимому, в будущем ферменты помогут нам проводить все эти химические процессы в «мягких» условиях и в масштабе крупных производств. Но ферментам свойственно и «ошибаться» — они могут ускорять процессы, которые в условиях клетки никогда не протекали. Иногда такие «ошибки» оказываются очень ценными.
В последние годы широко обсуждается серьезная проблема — опасность загрязнения мирового океана синтетическими моющими средствами. Все отходы химических, нефтяных, бумажных, текстильных, кожевенных предприятий, остающиеся в недостаточно очищенных сточных водах, рано или поздно «поедаются» различными микроорганизмами. И только попадание в мировой океан все возрастающего количества синтетических моющих средств — процесс необратимый. Ни один микроорганизм не использует их в пищу. Причина — наличие в этих соединениях «несъедобной» связи. Но вот недавно из Японии поступило обнадеживающее сообщение. Ученые выделили из сои фермент, способный разорвать эту связь и перевести «неподдающиеся» соединения в форму, усваиваемую микроорганизмами. В данном случае речь идет как раз об «ошибке» фермента и, как уже было сказано, об ошибке, очень полезной для человека.

…Сегодня в технике с успехом используются различные звуколокационные устройства. Сколько возможностей сулит познание природы и механизма действия портативных и точных локаторов рыб, способных в своем движении точно повторять изгибы береговой линии, выбирать из звуков, наполняющих морские просторы, слабые сигналы своих сородичей об опасности!..
Такова лишь одна из интересных возможностей, которые открывают ферменты перед химической технологией. А возможности эти чрезвычайно широки.
Высокая активность биологических катализаторов позволит перейти на низкотемпературные режимы. На смену специальным сплавам, устойчивым к действию химических веществ при повышенных температурах и давлениях, придет стекло или другие дешевые материалы. Из них будут изготовлять все технологическое оборудование.
Но главный экономический эффект будет, по- видимому, связан с резким упрощением процедур разделения и очистки веществ. До сих пор основная стоимость того или иного химического продукта определяется подчас не затратами на исходное сырье и его переработку, а стоимостью очистки промежуточных веществ и конечного продукта. Особенно дорогим получается производство, если потребитель предъявляет строгие требования к чистоте полученного вещества. А такие требования, мы знаем, звучат все чаще и чаще.
В чем тут могут оказаться полезными ферменты? Допустим, что в какой-то реакции А + В = С использованы исходные вещества высшей степени очистки. И все же продукт реакции С будет загрязнен примесями. Получится это потому, что катализатор этой реакции — активный, но не обладающий избирательностью,— будет ускорять взаимодействие не только А и В, но и А и А В и В, А и С, В и С… и тем самым способствовать возникновению примесей.
Если ввести вещество С, не очистив его предварительно, в реакцию с веществом О, то в продуктах реакции мы найдем еще больше побочных веществ. Биологические катализаторы с их высокой степенью избирательности, специфичностью действия позволят получить из А и В единственный не нуждающийся в специальной очистке продукт С.
Те же биокатализаторы так проведут реакцию образования С из неочищенных А и В, что число побочных веществ в системе не увеличится. И это понятно. Побочных продуктов становится тем больше, чем выше температура, при которой идет реакция. Низкая температура так замедляет образование некоторых побочных продуктов, что они практически не успевают возникнуть, если время протекания основной реакции невелико. Но это время зависит от активности катализатора. А о высокой активности ферментных систем, способных с большой скоростью проводить реакции при комнатной температуре, мы уже знаем.
Таким образом, из трех характерных отличий ферментов от обычных катализаторов (высокие специфичность и активность, сложность структуры) два первых — сулят огромные перспективы химическому производству. Однако, чтобы использовать биокатализаторы в промышленном масштабе, надо иметь немалый их запас: десятки и даже сотни килограмм. Как получить столько ферментов? Искусственно производить их мы пока не умеем. А в живой клетке их содержится столь мало, что для получения нескольких миллиграммов фермента приходится перерабатывать десятки килограмм животного и растительного сырья. Например, из 10 килограмм сердечной мышцы — сырья, особо богатого ферментом лектикодегидразой,— можно получить лишь 500 мг фермента.
Есть немало и других осложнений. Методы, которыми пользуются для выделения ферментов в малых количествах, непригодны для производства их в больших масштабах. Процесс очистки получаемых биокатализаторов оказывается чрезвычайно сложным. И, наконец, не следует забывать, что и исходное сырье стоит подчас недешево. Трудно представить себе даже в отдаленном будущем крупнотоннажное производство, использующее в качестве катализатора фермент, выделяемый, например, из яда кобры.
Наиболее доступные ферменты уже сегодня поставлены на службу производству. Правда, используются они пока не в собственно химической технологии, а в перерабатывающей промышленности. Но таких ферментов наберется десяток, другой. А сотни прочих биоускорителей — технологически чрезвычайно перспективных, но в такой же мере труднодоступных? Проблема использования их в химической индустрии, по-видимому, будет решаться иным путем. Этот путь лежит через моделирование ферментов.
ВСЛЕД ЗА ПРИРОДОЙ И ВОПРЕКИ ПРИРОДЕ
Итак, мы выяснили, что мизерного количества ферментов, получаемого из дорогих и труднодоступных источников, явно мало, чтобы наладить с их помощью крупное промышленное производство. Но оно оказывается вполне достаточным для всестороннего изучения, направленного на создание моделей и аналогов этих замечательных соединений. Самой большой трудностью, которая стоит здесь, на пути исследователей, становится третья особенность ферментов, о которой тоже шла речь,— чрезвычайная сложность их структуры.
Однако, несколько лет назад были получены интересные данные о том, что упрощение структуры фермента, уменьшение у него — до определенного предела — длины белковой цепи не сказывается на его каталитической активности. Например, последовательным удалением аминокислот удалось «безнаказанно» уменьшить молекулярный вес фермента папаина на 70%!
Этот удивительный результат объясняется тем, что активным центром фермента, то есть местом, на котором разыгрывается каталитический процесс, является какая-то небольшая часть макромолекулы соединения. А это значит, что не все молекулы аминокислот в его белковой цепи играют одинаково важную роль. Например, в белковой цепи цитохрома С — одного из важнейших ускорителей процессов окисления в клетке — содержится 16—18 молекул лизина. Но активность фермента связана лишь с одной из этих молекул.
Значит, если бы химикам удалось «сконструировать» активный центр фермента, вся остальная часть молекул для условий работы вне клетки могла бы оказаться лишней. Исследование строения активного центра ферментов — важное направление в моделировании этих соединений. Этот путь — от сложного к простому, от реального фермента — к «осколку» катализатора, к его активному центру, может быть назван аналитическим путем моделирования.
Другой путь — это путь синтетический. Если исследователю известны какие-то элементы структуры активного центра фермента, то путем усложнения этой структуры и соединения ее с другими элементами он ищет возможность увеличить ее каталитическую активность и избирательность.
Движение к заманчивой цели — созданию практически важных моделей биокатализаторов — идет как строительство туннеля с двух сторон. Биохимики исследуют системы более простые, чем реальные ферменты, приближаясь к выделению того минимального участка ферментной молекулы, который работает как самостоятельная каталитическая система. Химики исследуют разнообразные катализаторы из «зоны» неживой природы — металлоорганические, полимерные вещества. Сложность изучаемых и исследуемых систем приближается к сложности обломков ферментных молекул… Трудно предугадать, когда «строители», прокладывающие встречные туннели, встретятся, но встреча эта обязательно произойдет!
Что можно сказать сегодня о ее координатах? Какой молекулярный вес, какая характеристика сложности будет у простых моделей и аналогов ферментов? До недавнего времени величина эта оценивалась в шесть — семь тысяч единиц — довольно мало в сравнении с молекулярными весами ферментов в сотни тысяч единиц. Цифра 6000—7004 была получена на основе представлений о том, что взаимодействие ферментов с превращаемыми веществами не должно деформировать пространственную структуру ферментной молекулы. Однако, не так давно было высказано предположение (и оно уже нашло некоторое экспериментальное подтверждение), что в ходе биокаталитического процесса белковая цепь фермента все же подвергается локальной деформации в месте контакта с превращаемым веществом.
Таким образом, прежний критерий (устойчивость молекулярной конфигурации активного центра фермента), подводивший к критическому молекулярному весу 6000—7000, может оказаться завышенным.
А вообще должны ли модели ферментов остаться белковыми веществами? Почему бы им не быть, например, углеводами? Ни на тот, ни на другой вопрос дать категорический ответ сегодня нельзя. Можно думать, однако, что свойства биокаталитической активности не являются признаками, неразрывно связанными с белковым характером молекулы. Вероятнее, мы сталкиваемся здесь с проявлением определенного консерватизма природы. Со времени возникновения первых белковых комочков, способных к обмену веществ, из соединений, которые были «под рукой» в мировом океане (или, как говорят, в «мировом бульоне»), природа путем эволюции постоянно совершенствует именно белковые формы. Но вполне возможно, что, глубже изучив физико-химическую природу биологического катализа, мы сумеем создать новые катализаторы небелковой природы и менее сложной структуры и широко использовать их в химической технологии будущего.
Кандидат химических наук А. П. ПУРМАЛЬ