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.

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.

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.

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.

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 C_nH_2n+1O₂H. В клетке — ненасыщенный угле­водород C_nH_2n и образующаяся из него окись C_nH_2nO. 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 C_nH_2n+2 к ненасыщенному C_nH_2n 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.

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.

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.

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