Текст
rОРИЗОНТЫ ПОЗНАНИЯ ,. � • � -� � � = № %�- :--:;:;. Е.Кнорре • ЖИВОЕ В ПРОЖЕКТОРАХ НАУКИ Москва «Детская литература» 19-86
ББК кsз Научный р едактор академик АМН ССС Р С. М. НАВАШИН Оф ормление серии Б. ЧУПРЫГИНА Рисунки В. ХРАМОВА Фотографии М. БОЧКОВА и Б. РУЧКИНА Слайд н а п ереплете В. ГЕРМАНА и Е. ЛЕОНОВА К 4801000000�541 076�86 Mt0t(03)86 . @ ИЗДАТЕЛЬСТВО «ДЕТСКАЯ ЛИТЕРАТУРА•, 1986 г.
ВВЕДЕНИЕ о разрешите мне загадку жизни, Мучительно старинную загадку... Скажите, что такое человек?» Так великий поэт Г. Гейне в своих знаменитых «Вопросах» искал цель и смысл биологии - науки о живом. Но столетия до Гейне и столетие после него никто не смог найти на это ответа. Помните одно из знаменитых таитянских полотен француз ского художника Поля Гогена? Он назвал его символично: «Нто мы? Откуда? Нуда идем?» Нет пока этому однозначного объяс нения, и не удивительно, что подобные вопросы называют «веч ными». Сменяются поколения, пытливо вглядываясь в неизвестность, и уходят в небытие все с теми же вопросами, которые задавали и поэт-изгнанник, и после смерти преследуемый реакционными силами, но чья слава пережила и гонения, и смерть, и отвержен ный живописец, покинувший родину для поисков истины на да леком, затерянном в океане тропическом острове. А между тем уже в их время были заронены зерна знания, давшие удивительные всходы. Благодаря им приблизиться к раз гадке «вечных вопросов» удалось в наши дни, когда био логия вырвалась из собственных границ и объединилась, вернее, слилась с точными науками - химией, физикой, математикой. Эта книга об извечных тайнах жизни, раскрытых с помощью новых, ставших совершенно самостоятельными наук - биофизи ки и биохимии, о фантастических успехах и ослепительных свершениях еще более новых научных направлений - молекуляр ной биологии и генетики, биоорганической химии, биотехноло гии, биоинженерии, иммунохимии,- и, разумеется, о вновь воз никших загадках, которые еще предстоит разгадать. Тут, правда, вольно или невольно закрадывается сомнение: возможно ли дать хотя бы приблизительное представление о предмете столь далеко разошедшихся друг от друга могучих ветвей когда-то единого древа науки? Объединить то, что уже с трудом воспринимается даже бок о бок работающими специа листами,- ведь у каждого свои задачи, своя терминология, будто (( 3
специально придуманная, чтобы отпугнуть непосвященных? И вообще - не потерялась ли в этом процессе разделения, в стремлении «узнать как .можно больше о как можно меньшем» сама первоначальная цель: выяснить, что же такое жизнь, что объединяет все существа, будь то человек или ничтожный червя чок, как поддерживается эта жизнь, возрождается из поколения в поколение? К счастью, главная цель не потерялась. А возникновение но вых научных направлений и самостоятельных наук - нормаль ный и естественный путь познания в любом направлении, по ко торому следует человеческий разум,- будь то физика или астро номия, математика или биология. Единая в начале пути наука по степенно делится на специальные ветви, которые быстрее или медленнее обретают полную самостоятельность и, в свою очередь, разветвляются. Вспомним: трудно перечислимое многообразие современных научных направлений тоже ведь вышло когда-то из единой на турфилософии... Просто чем быстрее движется научное познание, а сейчас этот процесс, как вы потом убедитесь, стал стремитель ным, тем быстрее и заметнее идет разветвление, расхождение ветвей. И это неизбежно. В короткие сроки накапливается столь огромный багаж фактов, выводов, деталей, столь огромный мате риал, что один человек просто не способен все охватить, проана лизировать и осмыслить. Недаром еще древние философы отме чали, что чем шире круг знания, тем больше раздвигаются и гра ницы неведомого. А осмысление необходимо глубокое. Значит, нужна специализация, разделение предмета на «узкие» обла� ти. Это необходимо и потому, что биология, к примеру, во оружившись аппаратом физики и химии, превратилась из наблю дательной и описательной науки в экспериментальную, а следо вательно, надо владеть подчас чрезвычайно сложными методами исследований, физическими приборами, химическими средствами. И все же независимо от того, каковы индивидуальные особен ности человеческого мозга и как развивается процесс познания, цель и объект у всех ветвей могучего древа единый познание тайн жизни, а жизнь - объект, бесспорно, целостный. Предмет, изучаемый разными биологическими науками, фактически явля ется тем же самым, только рассматривается с разных сторон, разными способами, с различных позиций, с чем мы и познако мимся. Словом, штурм идет всеми возможными способами и средствами, а когда возникает необходимость, ведущие пред ставители разных направлений собираются вместе на конгрессы и конференции и обсуждают те общие проблемы, которые их объединяют. Подобные обсуждения позволяют выработать пра вильную тактику, сосредоточить силы на главном в данный мо мент направлении научной мысли. В этой книге рассказывается не о том, что разделяет, а о том, что объединяет научные направления, о тех главных, магистраль ных проблемах, которые сегодня особенно волнуют ученых, за нимающихся познанием жизни. Тем более что эти проблемы становятся все более актуальными и для нашей повседневной жизни. Не только потому, что практические выходы фундамен тальных разработок мы ощущаем постоянно, пользуясь чудо� 4
действенными вакцинами и заменителями компонентов крови, вкусными и питательными продуктами, созданными на биозаво дах, замечательными плdдами и растениями, выращенными почти что «В пробирке» . Но, главное, потому, что свершения биологи ческой химии и физики подготовили реальный переход к гряду щей научно-технической и промышленной революции, которая вернет человечество к природе, к той естественной среде, откуда оно вышло и без которой не может существовать. Вернет, разу меется, не в пещеры, не к первобытным истокам, а к качествен но новому, не исключающему индустриализацию, сосуществова нию и взаимодействию с природой, основанному на точных зна ниях. Могущество науки беспредельно, и уже сегодня, постигая все глубже тайны живой материи, она способна создавать улуч шенный вариант того, что до сих пор могла лишь природа, а зна чит, решить самые главные и самые трудные проблемы - устра нить голод, болезни, загрязнение воды и воздуха, создать под линное благоденствие на Земле. 5
КОММЕНТАРИЙ КОММЕНТАРИЙ (<БИО» - ЗНАЧИТ (<ЖИЗНЬ» п р исущих ф изике средств, методов и п риборов . Оно вобрало в себя н о вейшие Идеи высшей математики и к ибернетики, механ ики и кристал л огра ф и и , х и м и и и экспериментал ь ной биолог и и - вес ь компл екс р аз л ичных дисци п л и н . В то ж е в рем я стремител ь н ы й п рогресс биоф изики, прон икающей в глубинную сут ь биологических я в лен и й п утем п остроени я иерархи - Как н и стран н о, н о даже ведущим б и оф изикам сегод н я трудно дат ь всеобъемлющее определение сущ н ости и збран н ой ими науки. Пред м ет ее ясен : изучен ие живого во всех проявлен и ях, тон костях и н ю ансах . Отсюда и п ристав ка в н азва н и и «био>>, что означает «жизн ь » . Однако сочетание « био>> с « ф и зи кой» отн юдь не механ и ч еское, огран и ч и вающееся ис п ол ь зован и ем 6
ческнх моделей, обладающих п ред тельство плодотворной связи ф ун сказательной с илой, превращает ее даментальных исследован и й с непо в теоретическую основу биологи и , средствен ными практическими за-. а получен н ые результаты имеют дачам и . Примеров тому биофизика выход в медицину и сельское хо являет множество, и есть среди них зяйство, про м ышленность, в выра некоторые поистине п оражающие ботку научно обоснованных средств воображение. защиты природы. Поэтому не при В з ять хотя бы истори ю изучен и я ходитс я удивл яться, что на первый колеба н и й и вол новых п роцессов. свой Всесоюзны й съезд в Москве Они зан имал и н ауку еще в XV 1 1 ве в августе 1 982 года советские био ке, со времен голландского ученого физики представили более 3 000 до Х . Гюй генса, оп исавшего д в ижен ие кладов по самым разнообразным маятн ика и п редл ожив шего гипоте научным нап равлениям, которые зу вол н ового распространени я све л и ш ь прибл изительно удалось объ та. К середине Х Х века, благодар я един ить в двадцати раздел ах про усилиям многих ученых, волновая граммы. Они включали разные теори я охватила упругие, гидравли уров н и орган изаци и живого: от ческие, электромагнитные и тепло нуклеиновых кислот и белков, изу вые колебан и я и дала общую кар чен и я отдел ьных составл яющих и тину вол н овых явлен и й . Волной на клетки в целом - до тон ких прояв зывал и возмущен ие, распростра лен ий межкл еточ ных взаимодейст н я ющееся с конечной скоростью в в и й , индивидуал ьного разв ити я и, пространстве и несущее с собой наконец, биофизики п опул яций и энергию от источн ика возмущен и я . экологическ их систем. В центре Это касалось тол ько так называе вн иман и я было в ы яснение сил вза мых пассивных сред, таких, к при имодейств и я н а разл ичных уров н я х меру, как поверхность воды, воз строен и я ж и в ы х систем, анал из п ро дух, жидкость, твердые тел а, рас текающих в н и х процессов и спосо пространение света в межзвездном бов управлен и я ими, в и ды и харак п ространстве. А если среда, в которую в н осит тер преобразован и я энерг и и . Интерес к тематике съезда был ся возмущение, актив н а по отн оше огромен . Впервые все биоф и з и к и нию к нему? В 1 959 году советс к и й страны, в к а к и х бы городах и рес химик Б. П . Белоусов, исследу я публ иках они ни работал и, как и м и оди н нз процессов ок ислен и я (со бы специальн ы м и разделам и и те единен и я с кислородом), обн ару мами ни занимал ись, собрал ись жил, что окислен ное соединение вместе, чтобы обмен яться мнен и я н еожиданно н ачало восстан авли ми, в ыработать единую стратегию, ватьс я, а затем реакци я в н ов ь сама скоордин ировать тактику научного собой пошла в первоначальном ·на поиска и практи ческой реали заци и п равлен и и . Ему это чем-,то напом ценных идей. Такова, собственно, нило колебание маятн ика. М н ого глобальная цель созыва Всесоюзно месяцев ушло на изучение странно го съезда : анал и з достигнутого и го явлен и я . Наконец профессор концентраци я общих усилий на наи Б. П. Белоусов пришел к выводу, более перспектив н ых направл е н и я х . что встретился с новым химиче Характерно, что уже во время ра ским процессом, которы й 01-1 на боты съезда в оргкомитет поступа звал «пульсирующим)), Однако на л и зап росы от м и нистерств и п ро его стать ю, посланную в сол идный мышленных орган изаци й с просьбой х и м и чески й журн ал, ответ при шел разрешить п р и н ять в нем участие довол ьно категор и ч ны й : «Того, о и п олуч ить материалы. Это, пожа чем вы сообщаете, в х и м и и н и когда луй, н аиболее убедител ьное свнде- не бывает)), к счастью, такое сужде7
К оммент"р.,.й 1 н ие не обескуражило ученого. Ра боты продолжал ись . Позже под ру ководством н ы н е известного специ ал иста С. Э . Ш н ол я в И нст итуте био логи ческой ф и з и к и АН СССР был открыт ш ирок и й класс явлен и й автоколебан и я в х и м и ческих веще ствах, в живой ткан и , л юбая клетка которой - сложнейшее устройст во, акт и в н о участвующее в распро стран е н и и волновых процессов. Вы ясн илось, что в каждой точке акт и в ной среды п р и расп ространен и и вол н возн икают некоторые запасы энергии . При соответствующем воз бужден и и , энер г и я может выс во бождатьс я , «пульси ровать)) , Автоколебатель н ы е дв ижен и я м о лекул в х и м и ческих растворах, п о п еременно, как эстафета, всп ыхи вающие язык и пламени горелок с асбестовы м и ф и т и л я м и , воз н и кно ве н и е вол н возбужден и я в мыш це - б и е н и е живого сердца, нако нец, распространен и е эп идем и й , н а шествие сельскохоз яйствен н ы х вре дителей . . . Казалось бы , что общего у стол ь разнородных явлен и й с раз н ы м и с п особами возбужден и я и разн ы м и методам и ос вобожден и я и восстан овлен и я энерг и и1 Их объеди н яет одна и та же математ и ческая м одел ь. Поскольку во всех актив ных средах расп ростран яетс я два типа вол н, в л и я ющих друг на дру га,- вол н ы возбужден и я и восста новлен и я , и он и следуют чередой друг за другом, п оведен ие п одоб ной возбудимой среды описы вает с истема из двух н ел и н е й н ы х диф ферен циал ь н ы х уравнен и й . Реш и в е е , можно пон ять к и н етику процес сов, вид и характер взаимодейст в и я отдел ь н ы х элементов : ф итил я в го рел ке, каждой возбудимой клетки в миокарде (мышце сердца), каж дого компонента· в х и м и ческой ре акци и . И все же дл я оп исан и я сложней ших п р и родн ь1х п роцессов этого оказалос ь н едостаточ н о . Тогда у ч е н ые-би оф и з и к и п редл ожили кон струкцию автомат и ч еской системы , имеюще' й уже не два, а три состоя н и я : возбужден и я, с н ижен и я воз бужде н и я и покоя. Модел и вос п ро извел и на выч ислительных маш и нах . П р иродные услов и я, сопровождаю щие процессы с многократн ым про хожден ием вол ны , отразил и специ ф ику поведен и я реаль н ых участни ков. Вел ика была радость исследо вателей, когда математи чески пред сказа н н ые эффекты удалось обнару жить во всех в идах активны х сред, в которых могут самопроизвол ь н о возни кать вихри возбужден и й концентр и ческие и сп и раль н ые вол н ы, сложне й ш и м образом сталк и вающиес я , и ног да у н и чтожающие п р и этом друг друга". Эти биоф и з и ч ес к и е модел и, ис пользующие аппарат математ и к и , методы х и м и и и ф и з и к и , п озвол и л и , кстат и, объ ясн ить механ изм возн и к новен и я стол ь расп ространенного и абсол ютно загадоч ного забол ева н и я , как тахи кард и я ( в ремен н ы й сбой н ормал ь н ого ритма сердца), ф ибрилл я ц и я (смертел ь н о опасная хаот и ч еская п ульсаци я сердца) . Те п ерь, уже четко пони мая механ изм явлен и я , можн о вести нап равлен ный отбор препаратов, п реп ятству ющих воз н и кн овен и ю нарушен и й в работе сердца. Аналог и ч н ы е модел и сп раведл и вы , как обнаружилось п озднее, вообще дл я м н огих живых с истем. В сетчатке глаза идут автокол еба тел ь н ы е п роцессы, тем же законам подч и н е н ы вол н ы расп ростран яю щейс я деп ресс и и в головном мозгу или р итмы при самосборке мн ого клето ч н ы х орган и змов, а в тех н и ке - в полуп роводн иках и х и м и че ских реакторах . Это бол ь ш е чем н овая тех н ологи я : это ос нова дл я многих п р и н ц и п иально и н ы х эффек т и в н ы х технол ог и й . Авторы откры т и я - Б . П . Бел оусов , А . М . Жабо ти нский, А . Н . З а и к и н , Г. Р . Иван и ц к и й и В. И. К р и н с к и й - удостое н ы Л е н и нской преми и . П о еди ноду ш н ому м н ен и ю специ ал истов, биофиз ика н ы н е переход ит 8
«БИО· - ЗНАЧИТ "жизнь" й еток и изу чать Со време нные пр и боры позволяю т д е лать тонча йш ие пос .яо ные срезы живых к.я д ета .яи их стро ения . н а качествен но новую ступен ь в п о знан и и таи нств живого. Есл и преж де став илас ь задача понять , как устроено, из каких детале,й сконст руировано, то сейчас цел ь исследо ван и я все чаще усложн яется: надо в ы ясн ить еще и как действует, ка кие идеи заложила п рирода в ту или иную конструкци ю. Характерн о в этой связи содержан и е лидирую щих, есл и можно так назват ь , на п равлен и й научного поиска. Многие год ы проблему передач и нервного импул ь са, в заимосвязе й кл ет.ок в ы сшей нервной деятел ь н ос ти систем мозга р ешал и ф и зиологи . Тепер ь в изучен ие этой так наз ы ва емой синаптической п ередач и в н о с ят свой вклад био ф изики. Задача с позиций ф изикох и м и и ф ормул и руется так: как устроен и как ра бот�ет кал и й н ы й рецептор, то ест ь как имен н о, с помощ ь ю какого ме хан и зма нервн ы й сигн ал перенос ит ся от одной клетки к другой . Это не тол ь ко и нтереснейш ая научная проб- . лема. Молекул ярн ы е маш и н ы памя ти, управле н и я , систем ы « коман да - ответ)) пока обладают непрев.:. зойденной избирател ь ность ю, чет кост ь ю, б ы стродействием и эконо мичность ю. 9
Комментарий 1 Тенден ц и я к взаимоп рон икн ове н и ю и сраста н и ю класс и ческих дис ц и п л и н биологи и и передовых н а п равлен и й биоф и з ик и дает подчас п оразител ь н ы е резул ьтаты . Вот еще ,п р имер из другой, к азал ось бы т ра д и цион ной обл асти зоолог и и и мор фологи и : изучен и е дв ижен и й - л о комоци и . В Инст итуте п роблем п е редач и и нформаци и АН СССР ис следуют дв ижен и е од и н о ч н ы х кле ток с математ и ческих позици й . У ч ен ы х заинтересовало, как именно строитс я уп равлен ие дв ижен ием клеток нормальных и опухолевы х в услов и ях культуры ткани - « В п ро бирке)), Ведь и з вестно, что зло качественные опухолевые клет к и отл и ч аютс я о т нормал ь н ы х способ н ость ю н еогран и ч е н н о дел иться и п рон икать повсюду. За с чет чего? Н а каком бы уровне ни п роисходи л о перерожден ие, отл и ч ител ь н ы е особен ности должны как-то п ро я в иться в д в и гатель н ом поведен и и . Такова была г и п отеза. Н о е е требо валось доказать . С н и мались десятки фильмов, да кол и чественное оп исан ие в ал ось всех н юансов дв ижен и я , испол ьзо вались разл и ч н ы е метод и к и н аблю ден и я , и зучались так назы ваемые адгез и в н ы е свойства кл ето к, ска способность « п р и л и пать )) , жем, И вот в процессе поиска выясн и л ось, что перерожден н а я «агрессив ная)) опухолевая клетка отл и ч аетс я от нормал ь н ой п о уров н ю актива ц и и тон и ч еской с истемы , п о состоя н и ю большого тонуса, п о его н а п р я жен н ост и . Проще говор я, раковы е клетки не хуже п р и креплен ы к сво ем у месту, а знач ител ь н о более н а п р яже н ы , как сжата я до п редела п ружина. Естествен но, встал сл еду ющий воп рос : почему? Ясно одн о : секрет кроетс я в мембране - в за щитной оболо ч ке - « пузырь ке>> , ре гул яторе· п итан и я и обмена веществ клет к и . Но где имен н о? Пока есть л и шь предпол ожение, что акт и в н а я ч асть с истемы отка ч к и ионов эле мента кальци я - важного регул ято- ра дв ижен и й и энергет и ч еского об мена - нарушена. Рано делать п р о гнозы, работа п родолжаетс я , но кт' о зн ает, не п рибл изит ли п одоб н ы й п одход к раз гадке н екоторых т а й н рака. Еще одн о направл е н и е в изучен и и л окомоции в И нст итуте п роблем п ередачи и нф ормац и и АН СССР анал и з дв ижен и й животных и чело века. Став илась цел ь : пон ять роль вол н ы в управл е н и и движен ием. Странное, казалось бы , сочетан и е : вол н ы и , скажем, ходьба. Куда бо лее стра н н ое, чем в п р и л ожен и и к пламен и и л и к расп ространен ию эпидем и й . А между тем " . Вспо м н и м , как движетс я рыба. Изгибы ее тела нетрудно оп исать вол н овы м и урав н е н и я м и , легко п ридумать и генератор, управляющий подоб ным Дв иже н и ем. Но придумать еще н е з н а ч ит пон ять. Ученые изучал и дв ижен ие многоножк и . П еремеще н и е ее конечностей в каждый мо мент оп исы валось волновым и урав н е н и я м и . В ы яс н и л и , какую рол ь мо жет и грать волна возбужден и я в координации конеч ностей, и " . н е ожидан но п р идумал и эксперимент дл я исследован и я координации ходьбы человека. Когда же получен ные резул ьтаты срав н и л и с уравнен и ям и дл я м н ого н ожек, оказал ось, что к и н ематичес кая п рограмма ходьбы иден т и ч н а ! Поразител ь н ы й факт требовал тео рети ческого осмысл ен и я . Так роди лась обобщающая теор и я управле н и я , которую называют теперь может, нем ного гром ко дл я стол ь узкой области, но в общем-то за служенно - локомоторной теорией относител ьности, поскол ьку выясни л ось, что законы управле н и я движе нием живы х существ, форм ирую щиеся на основе волн, расп ростра н я юЩихся в централ ьной нервной системе, в чем-то стол ь же обобща ющи, что и законы теор и и относи тел ь н ости, разработанной А. Э йн штейном дл я ф и з и ческого м и ра. Как в ф и з и ческом и змерен и и ввел и 10
Комм е нтар.-.i1 1 п редел ьную еди н ицу - скорость света или радиос игнал в качестве и нструмента оп редел ен и я дл и н ы и времен и, так н ы н е в н ервной с ис теме существуют свои и нструменты и предел ьные измерител ь н ые с иг налы отсчета. Скажем , в ходьбе н а до определ ить момент, в какой точке п ространства должна остан о в итьс я конечность, чтобы она вста ла н а грунт. Поскол ьку команду н а дейст в и е дает н ер в н ы й и м пульс, с игнал м ожно испол ь зовать дл я о пределен и я дл и н ы и времен н ы х и н тервал о в . П р инято говор ить, ч т о н и ч его н ет практ и ч н ее хорошей теор и и . По строен ие схемы управлен и я рит м и ч н ы х (человек, м н огоножка) и аритм и ч н ы х дв ижен и й (краб) при бл изит к пон иман и ю тайны управ л ен и я д в ижен ием. А это, в свою очередь, даст основу п р и н ц и п иал ь но новому подходу к созда н и ю ма н и п ул яторов. Ведь до сих п ор дв и жущиеся роботы, п ротезы кон ечно стей создав али, ис ход я из нашего сложившегос я на основе опыта п редставлен и я об удобстве. Живой орган изм в п роцессе эвол ю ц и и ре ш ил те же проблемы в и н ы х , куда более соверш е н н ы х критери я х и оцен ках . Возможность их воспроиз водства весьма заман ч и в а . В л або ратори и профессора В. С. Гурф и н к и л я уже конструируют м одел и шест и н ожки - ацикл и ч н ого дв ижу щегос я автомата." Б и отех нол ог и я , биотех н и ка попул я р ны е н ы не и означающие не редко чудеса новой тех н и к и - ро дились и окрепли при акт ивном содейств и и биоф и з и к и и биох и м и и . В з я т ь х о т я бы мембран ы - одн о и з м агистрал ь н ы х направлен и й в сегодн я ш н е й науке. Глубокое прон и к н ов е н и е в таин ство де ятел ь н ости эт и х защитн ы х оболочек клет к и , раскрытие п р и н ц и п ов дейст в и я и структуры и х п р о п ус к н ы х и зап и рающих каналов, вы яснен и е энергет и ч еского обеспече н и я клеток сложн ых и простей ш и х орган измов, секретов ф отос и нтеза открывают п еред тех н и кой поисти не вол шебн ые персп ект и в ы . Вот, к примеру, извечная мечта о соверш енном двигателе. Желаем ые критер и и известн ы : безотказная ра бота, в ысокая отдача энер г и и , п рос тота устройства, отсутствие вред н ы х отходов, неприт язател ь н ость в от ношен и и топл ива. Оказываетс я, и з всех способов преобразов ан и я х и м и ческой энерг и и в механ и ческую живая с истема испол ьзует н аиболее эффектив н ы й : процесс идет п р и « комнатн ых)) температурах, нор мальном давлен и и . Добавим к это му м и н и атюрность п р и большой кон центраци и энер г и и , практическ и отсутств и е трен и я, то есть высокую отдачу энер г и и и н и чтож н ы й пере ход ее в тепло. В биол огических «дви гател я х )) , в двой н ом электри ческом слое, возни кающем на гра н и це твердой фазы и раствора эл ектрол ита, плот н ость энерг и и в 10-100 раз бол ь ше, чем у магнит ного поля электродвигател е й . П р и че м используется эффект ивней ш и й в и д «Смазки)) - оттал к ивающиеся электрически заряженн ые молеку лярны е слои. Экспериментал ь н о уже доказана возможность создан и я н а п одобном п р и н ципе н ового т и п а механо-хими ч еского двигател я : равновес и е между двум я формами пол имера с раз н ы м и механ и ческ и м и свойства ми сдв игаетс я п р и изменен и и х ими ческого п отенциала среды . П ол и м е р то растяги ваетс я, то сжимает ся - « пульси рует )) , Важность эти х резул ьтатов дл я тех н и к и труд н о преувел и ч ит ь . Ведь п редел самых н адежных современных механ и ч е с к и х с истем - от с и л ы 1О милл ио нов переклю чен и й , человеческое же сердце - идеал ь н ы й х и м и о электромех ани чес к и й насос - дела ет за средн и й срок жизн и более 1О миллиардов сокраще н и й ! Блестящие работы советских био ф и зиков, биоэнергети ков и биохи м и ков, исследова в ш и х знаменитые 12
«БИО» - ЗНАЧИТ «ЖИЗНЬ» ныне фотопи гменты родопс и н и бак териородопсин, входящие в состав вн еш н и х мембран, которые с п о мощь ю этого белка преобразуют свет в электрох и м и ч ескую энерги ю , п озвол я ют мечтать об испол ьзова н и и белков - генераторов ф отото ка - в качестве сол н е ч н ы х бата рей . В Межфакультетской л аборато р и и биоэнергет и к и МГУ имен и М. В . Л омоносова, руководимой член ом-корреспондентом АН СССР В. П . Скулачевым, заведующи й от делом биокинет и к и , доктор х и ми ческих н аук С. Д . Варфоломеев и его коллеги создал и биолог и ч ескую систему, которая превращает (по принципу фотос и нтеза) с ветовую энерги ю в энергию х и м и ческих ре акци й . В биологической системе, п ред ставля ющей собой две объеди нен н ые п еремы ч кой стекл я н н ые колбы , н аходятся две культуры м и кроорга н и змов. В первом сосуде - м и1<ро ско п и ч еские си незеленые водорос л и . Под действ ием света специал ь н ых , замен яющих сол н це, ламп он и в процессе фотос и нтеза разлагают воду, образуют в присутст в и и угле кисл ого газа углеродные соед и н е н и я и выдел я ют к ислород. Образо вавшиес я углеводы п оступают во второй сосуд, где метал л и ч еские лоп асти медл енно и непрерывно п еремешивают раствор с ан аэроб н ым и бактер и я м и (не нуждающими с я дл я п оддержа н и я жизнедеятель н ости в к ислороде) . Бактер и и с по мощью своих п р и родных катал иза торов - ф е р м е н т о в - усв а и в а ю т углеродные соеди нен и я , в ыдел я я п р и этом угл екислы й газ и водо род. По оцен кам экспертов водород сч итаетс я перспект и в н ы м в буду щем идеал ь н ы м топл и вом . П о энер гоемкости он п ревосходит п р ирод н ы й газ в 2,6 раза, жидк и е топл ива и з нефти - примерно в 3 раза, ме танол - в 6,6 раза. Н о самая глав н ая его заслуга - экол оги ческая ч истота. Топл иво, не дающее отхо дов. Еще одно преимущест в о : энер ги ю водорода легко п реобразовать с помощью электрох и м и ч еских ге нераторов, топл и в н ы х элементов, в электри ч ество. Углекислый же газ, в ыдел яемый анаэробн ыми бактери я м и , перека ч и вается в первы й сосуд и служи т п и тан и ем с и н езеленым в од оросл ям, которым он необходи м д л я фото с и нтеза. Биосистема обладала бесспорны ми преи муществами и только одн и м недостатком . Срок жи з н и фермен тов анаэробн ых бакте р и й , как вся ко го живого, был огран и ч е н . К счастью , е го удалось намного п родл ить, когда в качестве «рабочей массы >> в з я л и вместо обы ч н ы х бактери й особый и х в и д - термоф и л ы . Оты скать их ученым удалос ь н а Кам ч атке. Там есть вулкан, из кратера кото рого вытекает н агретая до +130° С концентрированная серная кислота. У подножи я вулкана п оток кислот ы попадает в речку. Чуть н иже п о те ч ен и ю реки , где температура « все го» +70° С, жи вут эти н еобы ч а й н о усто й ч ивые бактер и и . С фермента м и термоф илов биологи ч ес к и й топ л и вн ы й элемент м ожет работать мес яцам и . И кстат и сказать, работа ет . Б и охимическое п рои з водство энерги и, реакторы, где работаю щими элементам и служат бактер и и и водоросл и,- это л и н е вдох нов л я ющая фантастика наших дн ей! П р и ч ем н адо замет ить, что тео рет и ч еское значение КПД преобра зован и я сол нечной энерги и путем фотос и нтеза соответствует КПД фо тоэлектрически х биосистем : от 3 до .15 п роцентов, н о с точк и зрен и я доступ н ости и в ысокой возобн овл я емости, конечно, преимущество за теми, что созданы ч еловеком . Еще одна важн ая п р и н ци п и ал ь ная, можно сказать, особен н ость б и офотол иза - возможность н ако п ить «солнце про запас » , аккумул и13
К омм е нтари й 1 ровать энергн ю света, что делает бноснстему незавнснмой от суточ ных н сезо н ны х колебаннй по годы . Глубокое нзученне фотопнгмен тов н ач ал ось в СССР лет 1 О назад, когда п о нннцнатнве академнка Ю . А. Ов чн н ннкова был создан всесоюз н ы й п роект «Бактернор о допс н н » . Проект объеднннл уснлн я дл я детал ь н ого нссл едованн я струк туры н функцн й этнх чудес н ы х образов аннй, что п озволнло в ы я внть деталн фотохнмнческого цнк ла в мембранах н первн ч н ого воз действн я света на этот белок. Рас шнфрована структура родопснна, н стало ясно, что бактернородоп сн н с п особен обратнмо работать в растворе н в тонкой плен ке, как в л аж н о й , так н п ол н остью обезво жен ной , что он н е утрачнвает свонх уннкал ь н ы х свойств нн прн н агрева н нн до 1 00°С , н н п р н воздействн я х хнмнчес кн актн в н ы х в еществ нлн снль н ы х электрн ч ескнх полей . Н о самое главное - бактернородопсн н с п особен остан авлнваться н а опре дел е н н о й стаднн ф отохнмнческого цнкла, сохран я я запнсан н ое н а нем нзображеннеl Тогда роднлась ндея нспользовать бел ок как фотомате рнал . К ажда я молекула бактернородоп с н н а обладает невероятн о в ысокой с веточувствнтел ь н остью н гнгант ской разрешающей способность ю . П рнтом нх можн о нспользов ать м н огократ н о, запнсывая н стнрая н зображе н н е . Это н е тол ь ко цен н а я замена дефнцнтному н дорогому серебру в пронзводст ве фотом ате рналов , но н ос нова дл я м н кро элементов со световой памятью. Н о перейдем от техн н к н к жн вой п рнроде, которая дав н о уже « п ро снт п ощады » . Здесь точные методы бнофнзн кн, основан н ы е н а колн ч е ствен ном ан алнзе, дают уннкал ь н у ю возможность эффектн в н ы х дейст внй . бнол огнческнх наук Доктор Н. Г . Еснпова н з Инстнтута молеку- л ярной бнологнн АН СССР нсследо вала белок соеднннтел ь н о й тканн коллаген . В ы ясннлось, что коллаген в п ернод образовання структуры свонх волокон обладает сверх чувст внтел ьность ю к темп ератур н ы м ко лебанням вплоть до одн ого граду са. Напрнмер, молекул а коллагена человека свертываетс я (ден атурнру ет) прн +з1°с, а у л я гушкн - п рн +25°С . Но человек не погнбает п рн резком нзмен еннн (хотя н до оп ре дел е н н ы х п редел ов) темп ературы окружающей среды, п оскольку его органнзм н аделен свойством под держнв ать в н утрен н ю ю стабнль н ость темп ературы . Мн огне так на зы ваемые хол одн окров н ы е органнз мы этой способ н ость ю н е обладают . Поэтому даже незн ачнтел ь н ы е ко л ебання тем пературы могут ока затьс я фатал ь н ымн дл я нх будуще го потомства. Сенсацнон н ы й науч ный резул ьтат ! О н п озвол яет дать точны й колнч ествен н ы й крнтерн й дл я оп редел ення качестве н н ы х нз мен еннй окружающей среды, отве чает на воп рос, что пронзойдет, еслн тем пература в реке, озере п о в ыснтся нлн п оннзнтс я в оп редел ен ных п ределах . Резкое нзмен енне усто явшейся температуры водоема может вызывать гнбел ь органнзмов н даже попул яцн й , п рнс пособл ен н ых к определенным условн ям. С оздан не выверен н ы х методов контрол я , защнты н восстан овлен н я п рнроды, необх однмой д л я сущест вовання человека, обеспеченне п о лезной дл я здоров ь я пнщей , н ов1:>1мн нсто ч н н камн энергн н , подбор не повреждающнх, выбороч ного дей ствн я меднцннскнх пре паратов, точ ная днагностн ка, профнлактн ческне меры п редуп режде н н я недуrов, унн кальная тех н н ка - во все это вноснт свой зрнмый в клад бноф н з н ка, от крывая путн ком плексного реше н н я насущн ых проблем . . Изучен не жнз н н средствамн н ме тодам н точ н ых н аук, п рон н к н овенне н а молеку л я р н ы й уровень н е толь ко н е п р н вело к отрыву от общнх 14
«БИО)) - ЗНАЧИТ «ЖИЗНЬ)) биолог ически х , медицинских подхо дов, н аоборот, у н и чтожил о барье ры, соед и н и л о и сбл изило разл и ч н ы е н ауки, взаимно обогат и в и х . Д и алектичес к и й процесс закон оме рен . О н , н есом н е н н о, зн амен ует качествен н о новый в иток сп ирал и имен н о - вам Какой познан и я . расскажет член-коррес пондент АН СССР Г . Р . Иван и цки й , ди ректор И н ститута биологической ф и з и ки АН СССР. 15
ИНТЕРВЬЮ ИНТЕРВЬЮ Чл е п- к орр е спопд е пт АН СССР Г. ИВАНИЦКИЙ ПРИРОДА мыслит ФОРМУЛАМИ - Принято rоворить: биофизи ка - новая наука. Как, по-ваwем у, Генрих Романович, надо понимать :tто опредеnение - ссновая )), а мо жет, оно вообще успеnо устареть! Как и коrда возникnа :tта пnодо творная и преуспевающая ветвь новой биоnоrии! «н овое>> пон ятие - Конечно, весьма относител ь н ое. И теперь, когд а би офизика дала н а ч ал о р аз- в и т и ю биоэнергет и к и , биоволновых п роцессов, биоинформат и к и , мож но, вероятно, говорить о традици онных основах нашей нау к и . Но все же вспом н и м , что ее становлен ие относится всего л и ш ь к первой трети н ашего века. В развитии науч ного на п ра вле н и я - срок весьма коротки й . Случ илось так, что име н н о в те годы� п осле открыти я Э. Резерфор16
П Р И Р ОД А М ЫС Л ИТ Ф О Р М УЛ А М И атомного ядра, н а смену клас сической фи зике п ришла новая, квантовая, способн ая объясн ить устойчивость атомов, их удивитель ные свойства. Квантовая механ и ка не только п омогла решить многие физические головоломки, н о и по ставила н а п роч н ы й теоретически й фундамент всю химию. Стал и п о н ятными подл инный смысл каждого атомного номера в табл ице Менде леева, сущность валентности, п р и рода химических связей, удержи вающих атомь1 в молекулах. И тогда физическая мысль обратилась к глав н ой тайне, о чем раньше н е могла бы и помы шл ять,- к самой жизн и. Примен имы л и квантовые закон ы к жи вому или, н аоборот, жизнь противореч ит квантовой ме хан ике? В 1932 году датский фи з и к Н . Бор выступил на Международном кон грессе по световой тера п и и с лекци ей «Свет и жизны), где п.о дел ился своими идеями о п роблем� жизни в связи с последними достиже н и я ми физики . . . В то время уже были известны математически строгие за коны наследственности , выведенные австрийским ученым Г. И . Менде лем, доказательства аме ри канского генетика Т. Х. Моргана, что ген ы расположены цепочкой в хромосо мах - червеобразных тельцах, за ключенных в клеточном ядре. В тог дашней генетике о казалось много созвучного с квантовой механ и кой, которая учила серьезно относиться к случай ностям, возводила в закон скачкообраЗность процессов и « пор ционносты) - квантовость. С нач ала теория, а потом методы - т акие, как рентгеноструктурный анализ, масс-спектрометри я, радиоизотоп ные способы и другие,- объеди ни ли физи ков с биологами н а пути к заман ч ивой цели Наша отечественна я биофизика имеет очень дав н и е традиции, св я зан ные с именам и В . И. Вернадско го и К. А . Тимирязева, П . П . Лаза рева и И . М. Сече н ова. В 1919 году, АОМ •.. 2 Жмаое а прожекторах науки п осле два года через всего Октябр�ской революции, в Москве был орган изован Институт биоф изики . Позже на его базе возни к Ф и:Знческий и нститут АН СССР, н ы не носящий имя П. Н. Лебедева. В 20-30-е годы резко п ов ы ша ется и нтерес к молодой отрасли науки . «Предметом биоф и з и к и явля ется и�учение физических и х и м и ческих явлен и й , п ротекающих в ткан я х и органах тела человека, жи вотных и растен и й , и построе н и е количественных физико-математи ческих теори й в тех областях уче н и я о жизни, где возможно сведение явлен и й н а ч исто физические при ч и н ьт - так определ ял биофизику в то время академ и к П . П . Л азарев. Обратим внимание н а закл юч итель ную часть определен и я . Е го оговор ка означает, что это «сведение)) не всегд а возможно. К середине ХХ века успехи атом ной физики н е могл и н е оказать воз дейст в и я на умы учен ых, работаю щих во всех областях естествозна н и я . Возн и кл а насущна я необходи мость в глубоких рад и обиол огиче ских исследован и ях . В 1946 году в Институте атомной энерги и им. И . В . Курч атова создается рад иа ционная биологическая л аборато р и я, а затем н а ее основе И нститут биофизики М и н истерства здраво охранен и я СССР. В окт ябре 1952 го да был организован Инст итут био логической физики Академ и и н аук СССР . Последующее р азвитие био физики связан о с именем известн о го ученого, видного орган изатора н ауки и яркой л и чности академи ка Г. М. Фр ан ка. В это время существует уже Меж дународный союз теорети ческой и п р и кладной биофизики, и здают ся журналы, растет ч исло специа л истов, н о не прекращаются спор ы н а тему : « Что такое биоф изика?)) Академ ик Ф ранк писал : « Биоф и з и ка не имеет пр исущего только ей объекта или п редмета исследован и я,
Интервью 1 как микробиология или энтомол огия ( н аука о насекомых). Эта наука ско рее характерна тол ько ей прису щим физическим подх одом к изу чению широкого круга жизнен ных явлений " . Особенно тесна связь, скорее даже « взаимоп роращива ние>> биофизики и биохимии" . » Ситуация с определением биофи зики оказалась еще сложнее, к огда возникли н аправления н ауки, н ахо д я щиеся в компетенции сразу трех разделов естествознания, например биофизическая химия. В 70-е годы география биофизических исследо ваний становится все более обшир ной. Только в нашей стране биофи зические лаборатории создан ы бо лее чем в 70 научных учреждениях, успехи в различных областях иссле дований значительны, одн ако опре деление самого предмета еще не сформировано. И п ричина здесь, очевидно, в том, что данные извест н ыми учеными определения следует рассматривать как отражение раз личных этапов развития н ауки, кото рая переживает н ы н е бур н ы й п ери од прогрес са. - И все-таки что же Jто такое сеrодняwняя биофизика! Чем она занимается и что дает nюдям! - Сегод н я биофизик а - широкая область исследований, занимающа яся анализом физических механиз мов процессов , происходящих на различных уров нях организации жи вых систем и физических свойств биологических объектов. За последние 20 лет в биофизике п роизошел своеобразн ы й «инфор мацион н ы й взрыв» . У двоение н ауч ных публикаций по биофизике в СССР п роисходит за последние два десятилетия каждые п ять лет, на много быстрее, чем в л юбой дру гой области фундаментал ьных ис следований . Сегод н я в нашей стра не 17 журналов печатают статьи по биофизическим п роблемам, а в ми ре таких журналов более 100. Соз даются институты и лаборатории в союзных республиках. Много сдела- · но на Украин е, в Грузии, в РСФС Р . В 1980 году в Красноярске начал работу Институт биофизики Сибир ского отделения АН СССР . Разви вается и подготовка кадров : свыше 20 кафедр готовят специалистов биофизиков. Советские биофизики актив но уча ствуют в работе Международного союза теоретической и прикладной биофизики. В 1972 году в Москве был проведен Меж дународный био физический конгресс. О н стал са мым крупным конгрессом за всю историю союза. С 1971 года существует Коорди национн ы й центр стран - членов СЭВ по проблеме « Исследования в области биологической физики» со своим печатным орган ом - журн а лом <<Студия биофизика», издавае мым в ГДР. Советские биофизики могут гор диться многими замечательн ыми работами, которые занимают лиди рующее пол ожение, п ризнаются и цитируются во всем мире: это ис следования в области биофизики мембран , п ервичных процессов фо тосинтеза, биофизики нерв ных про цессов и особен но колебательных и автоволновых процессов. Если рассматривать динамику раз вития науки, то заметна тенденция расширения общих областей физи ки и биологии, вклю чаемых в био физику. Хотя симпозиумы по раз личным направлениям проводятся в нашей стране давно, однако воз никает необходимость собраться всем вместе, чтобы обсудить даль нейшие пути развития биологиче ской физики, провести «ин вентари зацию» того, что делается, чтобы лучше скоординировать работу, укрепить контакты между специа листами. Не менее важн ый мо мент - возрастающее влияние фун даментальных биологических работ на развитие народного хоз я йства. Я отмечаю это как этап, который по значимости с полным основанием можно поставить на первое место. 18
П РИРОД А М Ы СЛ ИТ Ф О Р М У Л А М И В наше время практика ставит за дачи, которые нельзя реш ить сила ми лишь одной отрасл и знан и й . При изучен и и каждой крупной н а учно-технической проблемы необ ходи мо учитывать возможные п о следствия воздействия н а окружаю щую среду и здоровье человека. И здесь особая роль биофизики с ее систем ным подходом и мощн ым арсеналом ф и з ико-математич'еских методов исследования стала оче видной . Я бы особо отметил также рол ь биофизики в создан ии новых видов биотех н и к и и в разв итии био технологий. Приведу лишь один из многих примеров непосредственно го практического приложен и я фун даментальных исследован и й . Речь идет о медицинском и б и ол огиче ском использовании перфторугле родов . Так, фтор известен как сильный окислитель, активный неметалл, реагирующи й со всем и эл ементам и, кроме и нертных газов. Он взрыв чат, что и дало ему назва н и е : «фто рос» по-гречески означает « разру шение» . Однако агрессивность его можно усм ир ить, насытив валент ные связи другими элементами, н а при м ер углеродом . Вот так и по явились фторорган ические соедине ния. Вещества, полученные н а осно ве этих соединен и й , используют се годня в качестве смазочн ы х масел , гидравлических жидкостей, покры тий дл я трущихся деталей и п осуды (фторопласты), напол н ителей холо дил ьн иков (фреоны), другими сло вами, они породили к середине Х Х века новые отрасл и хим ической промышленности. Если в обы чном орга н и ческом со единении пол н остью заместить во дород фтором, то можно получить перфторуглероды. Ныне синтези руется множество фторированных соедин ен и й , некоторые, помимо углерода, содержат атомы кислоро да, азота, водорода, но их часто по прежнему называют перфторугле родами, хотя правильнее было бы название « перфторорга н ические со единен и я » . Дл я биофи зиков н аиболее при влекательна химическая и н ертность перфторуглеродов, их способность растворять бол ьшие количества га зов : до 50 объемных процентов кислорода и до 190 п роцентов угле кислого газа. Такая ун и кальная осо бенность позволяет п редложить н а основе перфторорга н и ческих со единений принцип иально отл ичаю щиеся от традицион ных методы «искусственного дыхания» дл я вы ращивания клеток вне орган изма, для поддержан и я жизнедеятельно сти трансплантируемых органов и , наконец, дл я создания специальных эмульсий, которые могут выпол н ять одну из главных функци й крови обмен углекислого газа на к исло род. Дышащее воздухом , обитающее н а земле животное, есл и его погру зить в раствор перфторорган и ч е ских соединен и й п р и нормал ь н ом давлении, будет дышать и жить. Однако длительное жидкостное ды хан ие невозможно, поскол ьку со единен и я эт и в тысячу раз тяжелее воздуха и в два раза тяжелее вод ы . П оэтому мускулатура диафрагмы, легких и мыщц, ответствен ных за движение грудной клетки, н е сп рав л яется с такой нагрузкой. Удлин ить пребывание в жидкости позвол я ет при нудительное прокач ивание ее через легкие. Такие исследов а н и я проводятся сей час и в СССР, и в дру гих странах. Если удастся разработать без вредные методы дыха н и я человека в жидкой среде, то откроются воз можности настоящего освоен и я глу бин Мирового океана. Метод дыха ния в жидкой среде п ригодится кос монавтам во время бол ь ш и х ускоре н и й при косми ческих полетах. Раз работка подобных аспектов исполь зова н и я перфторорга н и ческих со еди нен и й может оказаться полез ной для медици н ы , например, при про мыван и и легких (лаваж) у больных 19
И нтерв ь ю 1
ПРИ Р О ДА МЫСЛИ Т ФО Р МУЛАМ И бронхиальной астмой, при лечении тяжелых форм отеков легкого, по скольку способность растворять большие количества кислорода вы годно отличает эти соедине ния от применяемых традиционных. Другое перспективное н аправле ние использования перфтороргани ческих соединений - создание на дежных и дешевых заменителей крови. Донорская кровь, необходи мая для переливаний, дл я спасения жизни, становится все более дефи цитной, ее требуется все больше. Ис следования по созданию кровезаме нителей на основе перфтороргани ческих соединений велись в меди цинских учреждениях СССР начиная с 70-х годов. Биофизики подклю чились к этим работам не так дав но. В 1979 году в Институте биоло гической физики АН СССР прошли успешно эксперименты по замене крови у собак, причем замен ялось до 70 процентов объема. Пока дл я лечения такие препараты в ·нашей стране не применялись, хотя в Я п о нии и в США было произведе но более 100 переливаний·новых кро везаменителе й . В СССР существу ют жесткие законы, запрещающие использование в клинике любых препаратов до их всесторонней про верки на животных, учиты вающей отдален ные последствия. И сей час «искусствен ная кров ы> п рох одит тщательные доклинические испыта ния. У нее много преимуществ пе ред донорской, н апример : отсутст вие показателей несовместимости, связан ных с группами и подгруппа ми, сн ятие проблем иммунол оги ческого конфликта или п ередачи инфек ции, стабил ьность газотранс портной функции при длительном хранении, возможность организации п роизводства. Новые м ассового кровезаменители позвол ят длитель но, без повреждений сохран ять изо лированные органы, создать новую технику дл я консервации органов, готовых к трансплантации. «Банк органов))- дело будущего. В 1980 году в Институте биол оги ч еской физики АН СССР был под готовлен п еречень прикладных за дач, сформулированных н а основе разв ития современного ан ализа фундаментальных биофизических исследований. Их оказалось более 90. Сейчас этих задач выявлено зна чительно боль ше. Если проводить сравнение п убли каций в различн ы х област ях биофи зики в середине 70-х годов с сере диной 80-х, станет очевидной тен денция роста прикладных биофизи ч еских направлений. Не случайно медицинская биофизика п о резул ь татам вышла на первое место. А среди фундаментальных иссле дований ведущее пол ожение зани мает мембран ная тем атика. в· последние годы возрос интерес к изучению механизмов влияния физических факторов на биологиче ские объекты. Оказывается, жива я система ак тивно реагирует вовсе н е на все процессы, идущие во внешней сре де, а только на те, которые явл я ют с я дл я н ее физиологически важны ми: например, сигналы об опасно сти, источниках пищи, о возможно сти размножения и т, д. При этом величины воздействия энергии и ре акции организма неп ропорциональ н ы. Эн ергетически слабы й , но физи ологически важн ый раздражител ь может вызвать бурную реакцию, На первый пл ан вых одят не эн ерге тические параметры воздействую щего фактора, а резон ансные свой системы. воспринимающей ства Возникло направление - электро магнитные воздействия на живые организмы." - Что, по-ваwему, наибоnее важ но сеrодня дnя быстрейwеrо npor pecca! - Дальнейший прогресс биофи зики в большой мере зависит от со вершенствования приборостроения . За последнее десятилетие поя вилось значительное количество физических методов, позволя ющих 21
Интервью 1 подняться н а качествен но новый уровень исследован и й в экспери ментальной биологии . Нельзя забывать, что исследова н и е живого н емысл имо без специ альной тончайшей техн и к и . Изучая клетку, ее оперируют, вводят ион ы , участки хромосом, ген ы, биологи чески важные макромолекулы, из меряют электрические п оказател и . В с е операци и проводятся н а поле вел и ч и н ой в дол и милл иметра, в сложнейшей и остро чувствительной системе, которую легко повредить . Между тем н еобходимо сохран ить жизнеспособность клетки не только во время ман ипуляций, н о и дл и тел ь н ое время п осле н и х . С п ециаль н ое конструкторское бюро био л огического приборостроен и я АН СССР в Пущино и эксперименталь ный завод н ауч ного приборострое н и я в Черноголовке создал и и сер и й н о выпускают базовы й комп л екс аппаратуры, в который вхо дит около 60 различных п риборов и устройств. Их легко комби н иро вать, создавая в зависимости от це лей исследован и я самые раз н ые установки. Отечественные микроман и п ул я торы п о эксплуатационным возмож н остям выгодно отл и чаются от за рубежн ых. Они позвол яют испол ь зовать до восьми управл яемых м и к роинструментов, п одводить инстру менты к живой клетке под л юбым углом, обеспечивают независимое п еремещение ми кроскопа в п ол е м и кроманипул ятора и усто й ч и в ы к в ибраци ям. Все эти и х качества дал и возможность в п ервые регистриро в ать без особых ух ищрен и й в н утри клеточную электри ч ескую актив н ость в культуре тка н и . Также в п ер вые удалось увидеть, как именно живущие вне орган изма гигантские нервные клетки, с войствен ные н еко торым в идам моллюсков, п ередают сигнал с одного н ейрона н а другой , разработать способ в ыделе н и я та к и х клеток в живом состоян и и . Или, о п редел ить, удалось например, «Голубая>> и 11краспая11 кр о вь. Пр и о чепь сил ьпом увелич е пи и и ску сствеппы е шарики кро веааме пи теля выглядят карликами в сра в пе пии с гигаптами - природпыми эритро цитами. . п р и чем н а живой клетке, молеку л ярную структуру участков ее мем браны, ответствен ных за узнавание сигнал ь н ой молекул ы, в частности, ацетилхол ина. Такие приборы п ерспективны дл я исследован и й на яйцеклетках и ран них эмбрионах млекопитающих, что �танет важн ым для создани я новых методов селекции в животновод стве п утем вегетати в н ого размно жен и я , так называемого клонирова н и я . Кстати, развитие таких работ и практическая реал изаци я их ре зультатов определ я ются прежде всего уров нем микроман и п ул яцион ной тех н и к и , которой распол агает исследователь. Сегодня мы можем п роводить эксперименты по пересадке ядер и отдельных хромосом клеток, осу- 22
П Р И Р ОДА М�IС Л ИТ ФО РМУ Л А М И щ ествл ять п еремеще н и е п од м и к роскопом микроинструментов н а дол ю м и крон, контрол ировать и нъ екци и биологически акт и в н ых ве ществ с немысл и м ой ранее точ ностью до 1 0-11 миллиметров , изме рять в ремен н ы е и нтервал ы с точ ность ю до 1 1 -го зн ака, до 1 6-го з н а ка регистри ровать отн ос ител ь н ое изменен ие частоты колебан и й . Таким образом, отечествен н а я биоф и з и ка за п ослед н и е годы до стигла круп н ы х успехов как в фун даментал ь н ы х, так и в п р и кл ад ны х исследован и ях и создан и и соб стве н н ого арсенала и нструм ен тов . Трудн о переоценить и значен и е на дан н ом этапе методологических аспектов раз в и т и я наук и . Ведь у биоф и з и к и есть свои отл и ч итель ные особе н н ости , она п ревращает ся в теорет и ч ескую основу совре мен ной б и олог и и - в науку, и зу- 23 чающую ф и з и чес к и е мех а н и з м ы и явлен и я на разл и ч н ы х уров н ях структурной орган изаци и живых с истем . Б и оф и з и к а - н е оп исател ь ная наука. Одна и з глав н ы х ее це лей - проникновен и е в сущность явлен и й путем построен и я и ерар х и и математ и чес к и х моделе й , вы явл я ющих закономерности п роцес сов , п ротекающих в ж и в ы х систе мах. В арсенале ее средств - нов ые ф и з и ческие методы исследова н и я и использование в ы ч исл ител ь н о й тех н и к и . Можн о утверждать, ч т о биофизи ка стала одн о й и з важн е й ш и х об ластей совреме н н ого естествозна н и я . Ей п р исущ д и н ам и ч н ы й темп раз в и т и я , разн ооб р а з и е точ н ы х п одходов и , что особен н о важно, тесное сотрудн и ч ество у ч е н ы х и п ракти ков разл и ч н ы х специаль н о стей в и зуче н и и сложных п роблем окружающего мира.
АРХИТЕКТУРА КЛЕТКИ Нескол ько н еобы ч н о мы начал и знакомство с тай нам и жизн и в з г л я н ул и на них с пози ций ф и з и к и , зан имавшейся всегда элементам и н ежи в ы м и . Однако увидел и несо м н ен н ую пользу, которую эта стро гая н аука не тол ько сво ими мето дам и и пр иборам и, но способом м ы ш л е н и я пр и внесла в биологию. В ы ходит, дав н и й спор между грубы- ми матер иалистами прошл ы х веков и витал истам и - сторо н н икам и не познаваемой жизненной силы раз решен как бы сам собой , раз вел и кое таи нство бытия можно описать сух и м язы ком математ и ч еских фор мул ? Значит, нет м исти ческого «чего-то», присущего только жи вому? П ом н ите строки Тют чева : 24
АРХ ИТЕК ТУРА К ЛЕТ К И Не то, что м ните вы, природа: Не слепок, не бездушный лик В ней есть душа, в ней есть свобода , В ней есть любовь, в ней есть язык. Что же все-таки - уникальная «искра жизни» или всего лишь осо бая организация, особое устройство тех самых атомов и молекул, что состав л я ют вездесущий воздух , все поглощающее плам я и способны й расти кристалл? Все отнюдь не столь самоочевидно, как может по казатьс я . Хотя, конечно, л юбой из нас, даже дош кол ьник, сразу ска жет, что розовый куст, щенок и дождевой черв як живые, а камни, крыша дома и лопатка неживые. Раз движется, растет, питается живое. Ну а как быть с кристалла ми, растущими в растворе, с кусоч ком натрия, бегающим п о воде? Современны й ученый п ользуется точными категориями, п оэтому опре деление могло бы выглядеть пример но так : между живым и неживым, конечно же, существует принципи альное различие, но вместе с тем нет и непреодолимой грани. Жизнь возникла из тех же самых элемен тов, которые классифицированы в таблице Менделеева, но образуют со вершенно особые соединения, с осо быми свойствами. Прежде всего, способность к воспроизводству себе подобных - к репродукции - и не разрывная , органичная связь путем обмена с окружающей средой, нако нец, умение приспосабливаться к меняющимся условиям . Эти особы е свойства обеспечиваются уникаль ным строением частей и целого у живого -«архитектурой>> и бесчис ленными химическими процессами, постоянно идущими в организме переработкой и обменом веществ. Познать жизнь, а она, теперь уже можно утверждать, безусловно п о знаваема,- значит вы яснить строе ние и с в язанные с ним функции, чем занимается биофизика, и изу чить протекающие химические про цессы, их взаимосвязь и регул яцию. Это находится в компетенции био химии и всех ее многочисленны х от ветвлений . Если вернуться к маги ческому термину «искра жизни» , то, образно говоря, именно биохимия ищет и находит эту «искру» в слож ней ших лабиринтах регул яции и превращений веществ, делающих живое живым. Трудно п остигнуть сущносrь жиз ни, судить о накопленных знанияJ1:1 не представив себе, хотя бы в общих, весьма приближенных ·чертах, уст ройства и назначения отдел ьны х со ставл я ющих живой клетки. Именно клетки - основной структурной еди ницы любого организма, подобно то му как капроновая ячейка - струк турны й элемент рыбацкой сети, а кирпич - здания. «Подобно» - не совсем точное слово, п оскол ьку кле.т ка резко отличается от обычной структурной единицы : она способна к самостоятел ьной деятел ьности. Живой организм, по сути дел а, совокупность четко координирован ной, строжай шим образом согласо ванной деятел ьности клеток. Есть организмы, состоящие из единствен ной клетки, а другие, например, высшие животные, человек, содер жат многие миллиарды соединенных «жизненных единиц» , и все они действуют в дружном согласии. Цитоплазма - слизистое вещест во, заполняющее тело клетки, и есть та самая таинственная жива я мате рия, постичь кот орую с разны х сторон стремится столько наук. Как много видов клеток, так много видов и цитоплазмы, одна ко всем им присущи некоторые общие фи зические, химические и «архитек турны е» особенности. Обычно принято знакомиться сна чала с простыми устройствами, а п о том переходить к более сложным . Считается, ч т о т а к легче. Но «прос тое»- элементы и органеллы, со ставл я ющие клетку,- настолько ста ло теперь сложным, что сразу к н е м у и не подступитьс я . Вряд ли по лучишь удовольстви е, разгл ядыв ая 25
О чер к 1 В эле ктро нном м и к р о с к о пе можно раз глядеть у н и каль н о е у с тро й с т в о жив о й клет ' ки: 1 - цито плазма , 2 - я др о , важн е й ш и й це нтр, 1< о т в е чаю щ и й J> за про дле ние жиз н и , 3 - ядр ы ш к о , 4 - э нд о плазматич е с ка я сеть, 5 - э н е р г е т и ч е с к и е стан ции - мит охо ндр и и , 6 - загадочны й « а ппарат Го л ь дж U J> , помо га ю щ и й в пр о из в о д с т в е белк о в , 7 - п и н о цитозный п у з ы р е к , 8 - це нтро с ома , 9 - л и з о с ома , 10 фабр и к и по пр о из в о д с т в у белка - р иб о с омы , 11 - клето чная мембра на - н е пр о с т о з а щит ная стенка, о на актив ный детали до того, как нас л а д ился це лостной картиной . Все равно что разбирать коробку передач, ни разу не прокатившись в авто мобиле ... По это му начнем с первичной ячейки жиз н и - с целостной клетки . у ч а с тник биохим и ч е ских пр о ц е с с о в . . . . Давным-давно, лет эдак по л тора м ил л иарда назад, под жгучими сол нечны ми луча м и в теп лой воде н а ча лись первые п ри митивные процессы соединения м олекул. Прош л о мил лион раз по тысяче лет, п ока где-то 26
А Р Х И ТЕК Т УРА К Л Е Т К И Столь п р ич у длив ые о бра з о в апия - э т о в с е г о -·nа в с е г о к л е т к и э п ит е лия, п о в ерхпо с тпо г о слоя кожи. в первичных водах образовалось не что вроде боль шущей, многозвен ной, сложноупорядоченной моле кулы, которую еще через много много миллионов лет, а точнее, в X I X веке вел и к и й шведски й х и м и к Я . Берцел иус н азвал «протеи ноМ>> от греческого слова «протейтос » , означающего «Первый, главнь1 й » . Посколь ку эти большие молекулы при нагреван и и свариваются, стано в ятся белыми, как я и ч н ы й белок, их 27
Очер к 1 стал и именовать бел кам и . Постепен но (за миллионы, тысячи, сотни лет - кто знает ! ) белки и нуклеи но вые кислоты (о тех и други х речь в переди, сей час · нам важен только исходн ы й материал) объединились, и появил ись первые живые сущест ва - бесформенные комочки прото плазмы, вроде студ н я ил и желе, но способные к обмену веществ и раз множению, а значит, жи вые. Как и где точно все это произо шло - 1:1еведомо. Догадок и ги потез н е счесть, но пока еще н и кому не удалось «Зародить» в пробирке жи вой комочек - клетку, хот я отдель ные ее элементы получать уже на уч ились. Итак, вначале первые одно клеточн ые - самые-самые простей шие, еще без ядра,- прокариоты, а п отом цитоплазма с ядром - эука риоты, к которым, кстат и, относит ся и человек. Что же представл яет собой клет ка - основа организмов животных и растений? С пециальная наука, ее изучающая, цитология ( « цито» « клетка») свидетельствует, что диа метр бол ьшинства из н и х не превы шает 30 м и крон, хотя некоторые дос т игают и двух м иллиметров, а то и сантиметров - ведь желток я й ца, хо рошо всем известный, по сути, одн а клетка. Форма бывает самая раз ная - шарик, кубик, призма, ци л и ндр, даже звездочка, диск или п росто нить - все зависит от назна чения. Эта кроха, заполненная полу прозрачной цитоплазмой, этот комо чек слизи на самом деле - хитро умный и сложнейший комбин ат, со своими производящими и п ерераба тывающими фабриками, заводами, системой связей, электростанция ми, даже ком плексом решающих устройств и « п ам ятью>> . В отличие от индустриальных комплексов, соз дан ных человеком, в клетке все действует не только в м икроскопи ческом объеме, в «мягких» услови ях - н ормальном давлен и и и темпе ратуре, с мин имальными затратам и сырья и энергии, но все «хозяйство» способно еще и воспроизводить са мое себя в точ ном подобии много много раз. Взгл я н ите на клетку в окул яр обычного микроскопа, и в ы увиди те в в язком бесцветном или чуть окрашенном желе едва различимые зернышки или волокна более плот ного материала, капельки жиропо добного вещества, а в общем-то цитоплазма представл яетс я почти однородной . Но сколь разител ьно измен ится картин а, стоит посмот реть на то же самое в электрон н ы й микроскоп ! То, ч т о казалось комоч ком желе, обретет изогнутую обо лочку, отделя ющую жи вое вещество от окружающего,- плазмати ческую мембрану. К ней нам придетс я еще не раз вернутьс я . Сгусточек в цент ре превратится в шаров идное тель це - ядро - важней ший центр, на котором лежит главная ответствен ность за продление жизни клетки: деление, обновление, построение ее веществ . Если микроиглой удалить ядро, клетка какое-то время еще продолжает двигатьс я, но не способ на расти и делиться и вскоре гибнет. Ядро имеет самостоятельную защит ную оболочку - мембрану. Вы о ней уже знаете. Внутри - правда, это уже можно разл и чить л и ш ь с по мощью рентгеновски х лучей, рент геноструктурного анал и за - уложе ны в кажущемся беспорядке твер дые палочк�:� хроматиновых н итей , состоящие из белков и нуклеиновых кислот. Запомним до поры, что это и есть хран илище наследственной памяти, ап парат, позвол яющий по точной программе воспроизводить абсол ютное подобие клетки много много раз. Во время делен и я хро матиновые нити образуют парные хромосомы, в которые, словно бу си ны в ожерелье, встрое ны гены. Изучением генов с разных позиций занимаются сразу несколько науч ных направлен и й . Гены и мембра ны - главные действующие л ица этой книги . В электрон ный микроскоп видны 28
АР Х ИТЕ КТУРА КЛЕТКИ
О черк 1 также плотные тельца, плавающие в п ротоплазме вне ядра. По форме о н н н н ог да напом и нают след ту фельки, а именуютс я м нтохондрн я мн . Мнтохондрн н - н зумнтельно устроенные энергетнческне станцнн клеток, перерабатывающие энергию, полученную прн сгора н н н пнщн в удобную дл я клеткн ун и версальную форму - АТФ (аденозннтрнф ос форную кислоту). Важную рол ь в энергетике н обмене веществ н грают жнроподобные комоч к н - л н п нды. А н нтевндные рибосомы служат хн м н ческнмн комбннатамн н участву ют в производстве сс стронтельного материала>> , необходимого дл я рос та н жнзнн,- белков. П омогает про нзводнть бел кн н загадочн ы й «аппа рат Гольджи». Можалуй, дл я пред варительного знакомства с сс архнтек турой» нам х в атнт этн х основ ных элементов сс ячейк.н жнзн н » , хотя, разумеется, там есть еще очень мно го х итроумных прнспособлен н й н устройств, может, гораздо больше, чем известно сегодня ученым. Во всяком случае, н н формацн н н ам до статочно, чтобы попробовать перейти от сс структурного п ортрета» к х н м н ч еском у н чуть-чуть разобратьс я, дл я чего создан ы все этн сложные устройства н как он н действуют. Как уже говорилось, однн н те же элементы пернодн ческой табли цы Менделеева входят в состав · кам н я н огн я , цветка н котенка. Из 88 основных п р и родных сс кн р п н ч нков» табл и цы (не будем сч итать получен ные искусствен н о) 40 обнаружено в жн вых орган измах. К примеру, каж дый человек, весящий около 70 ки л ограммов, состоит нз 45, 5 кг к ис лорода, 12,6 кг углерода, 7 кг водо рода, 2,2 кг азота, 1,4 кг кальция, 700 г фосфора н что-ннбудь около 700 г в общей сложности кадм н я , серы, натрн я, хлора, железа н мнк роскопн ческнх доз медн, ннкеля, ко бальта н другнх веществ. Что бы почувствовал поэт, полу ч ив подобны й ответ на вопрос, что такое челове к ! А такой ответ в нз- вестном смысле правомочен, научно доказан . Но вряд лн даже самое пылкое воображение позвол ит п ред ставить жнвого человека в внде от мерен ных порцнй разных твердых н жндкнх компонентов. Скол ько н н н асыпь в п робирку того, другого, третьего по самому п рекрасному рецепту, жнвого не сотвор и ш ь . Знать только л н ш ь состав явно недо статочно. Надо, как мнн нмум, еще разобраться в сочетан иях элементов, в тех веществах, которые онн обра зуют, соед и н я ясь между собой . Сложные вещества, н з которых со стоят органы, ткан н, клеткн,- это белкн, нуклеиновые к ислоты, угле воды, жнры - л н п нды, а также вода н минеральные сол н . Как нн пока жетс я странным, но бол ьше всего воды - почтн 70 процентов . Около 41 кг н а взрослы й орган изм весом в 70 кг. Без еды можно жнть недел я ми. Без воды - не более 3 дней. Дело в том, что в воде растворен ы жизненно важные вещества. В жид кой внутрен ней среде ор ган изма п роходят все основные хнм нческне реакцн н . Поскольку часть воды с растворен ными в ней остаточными п родуктам и обмена веществ перно д нческн выводится, человек н жи вотные нуждаютс я в постоянном п о полнен н н свонх запасов . Взросл ому человеку необход имо в день более 2 лнтров воды . Важная составл яющая орган и з ма - минеральные сол н : фосфорно кисл ы й кальций, хлористый кальций н другне. Больше всего солей 5 / 6 всего кол и чества - заключено в костях, 1 /6 растворена в водной среде. Нормальная жизнедеятель н ость возможна только тогда, когда состав солей н кол нчествр нх строго п остоянно. Животные погибают, ес лн давать нм п нщу, л и шенную хотя бы одной нз необходимых солей. Но все-такн основа жнвого, л юбой жнвой клеткн, л юбого орган и зма, ко нечно, бел кн. Наверное, нн одно ве щество не нзучалн бнологн н хнмнкн так долго, п режде чем удалось раз30
А Р Х ИТЕКТУРА КЛ ЕТК И гадать, как оно п остроено . Первы й оч ищен н ы й белок - клейков и н у пшеницы - выдел и л итал ь я н с к и й учен ы й Я. Беккари в н ачале X V I 1 1 века, но только ч ерез 200 лет стал понятен п р и н ц и п , по которому со ставлены эти гигантские молекул ы, а пол н остью « п рочесть» всю ком п о зицию хот я бы одного и з н и х - и м оказалс я гормон и нсул и н - сумел и только полстолети я с п устя, тогда, когда у х и м и ков появил ись . элект ронн ые ми кроскопы , ультрацентр и фуги, рентге н оструктурный анал и з и другие сверхточные методы. Бел к и , и л и проте и н ы ( вспом н и м сс протейтос»-сс глав н ы й » , сс первей: ший » ), которые вначал е сч итал и сходными между собой, похож и м и на белок куриного я й ца, оказал ись очень раз н ы м и , н евероятно сложно устрое н н ы м и и " . очень н епроч н ы м и . Небол ьшое нагрева н и е - до 50-60 градусов по Цел ьси ю - и белок «свертываетс я » , в ы п адает и з раство ра полутвердым остатком, утрач и вает свои свойства и особе н н ост и . Вы уже, н есом н е н н о, догадал ись, что первые исследовател и белка из брал и путь разрушен и я . Да и что иное можно было п редп р и н ять в н а чале X I X века, когда и п омыслить никто н е мог о « прожекторах )) , да рован ных 1 50 л ет с п устя ф и з и ко й и химией " . Т а к что в 1 820 году та лантл и в ому фран цузскому х им ику А. Браконно н и чего не оставалось, как смешать белок с крепкой к исло той и н агреть. П ростая п роцедура эта называется н а х и м и ч еском язы ке « Г идрол из)) , В остатках погибш е го белка учен ы й обнаружил сладко ватое вещество, которое назвал «глици ю) , Открытие гл ици н а стало научной сенсацией тех лет. Еще бы - обнаружили н о в ы й , н е и звест ный класс орган и чес ких соединен и й , относительно п росто построе н н ы х . Их начал и отыск ивать и тщател ь но изучать. С оединен и я пол у ч и л и н а зван ие «ам и н ок ислоты)) , поскольку главная особен н ость и х х и м и ческого строен и я - об я затель н ые дл я каж- дой молекулы две х и м и ч ес к и е груп п ы : аминогруп па, в состав которой входит азот, соед и н е н н ы й с двум я молекулами водорода, и карбо ксильная, углеродная группа, харак терная дл я всех органи ческих кис л от. Обе эти гру п п ы определ я ю т важне й ш и е свойства молекулы , от с юда и название без затей - ам и н о к ислота, то есть к ислота, содержа щая азотную (амино) гру п п у . А м и н ок ислоты в ч истом в иде п о хожи на бесцветные кр истал л и к и , х орошо растворя ющиеся в воде. Ч исло их, в ыделенное и з самых раз н ых белков, оказалось н ебол ь ш и м основных всего 20. Однако н а со ставлен ие этого коротен ького переч ня ученые разных стран затрат и л и 1 1 5 л ет ! Последн я я и з 20-т и - ами нок ислота трео н и н - была открыта тол ько в 1 935 году. Когда вы ясн илось, что все беско неч ное разнообразие п р и родных бел ков составлено всего и з 20 чуть разнящихся друг от друга (( к и р п и ч и ков ))- амин окислот, ученые бы л и весьма озадачен ы . В самом деле, трудно п редставить, как удаетс я создать неисч исл имое м н ожество сложней ш и х соед и н е н и й , среди к о торых трудно найти два одинаков ы х белка, всего из 2 0 компон ентов ! Здесь стоит немн ого отвл ечьс я и оп редел ить би о х и м и ч еское понятие «слож н ый )) , сссложней ш и й )) 1 чтобы вы н е вос п р и н имал и и х абстрактно, как нечто непостижимое. С л ож н ость строен и я л юбого х и м и ческого веще ства зависит от того, сколько от дел ь ны х атомов элементов входят в состав мел ь ч а й ш е й , сохран яющей все его свойства ч астицы - молеку л ы . Само собой, чем боль ш е атомов составл я ют молекулу, тем бол ь ш е ее размер и молекул я р н а я м асса, тем она т яжелее. Вел и ч и н а молеку лярной массы св идетел ьствует, во сколько раз и нтересующая н ас мо лекула т яжелее атома водорода, прибл и з ител ь н о п р и н и маемого за еди н и цу. Молекула воды, к п р имеру, равна 1 8 водородным атомам, в и н 31
О черк 1 ного с п и рта - 46, а сахара - 342. Так вот молекул ярная масса бел ков из меряется уже в совсем и ном пор яд ке ч исел . Гормон и н сул и н равен 6 000, гемоглоб и н - перенос ч и к кис л орода, вход я щ и й в эритроциты и п ридающи й крови крас н ы й цвет,64 500, фибр и н оген крови (соед и н и тел ь н ы й элемент, с п особствующи й заживлен и ю ран) - 580000. Ги гант ские размеры м ол екул, так называе мые высокомолекул ярные соед и н е н и я, вообще свойстве н н ы всему жи вому. В ы н е раз встретитесь с этим и м ногомерн ы м и вел и канам и . Чтоб ы получше разобраться в и х конструк ции, важно напом н ит ь про одну, ис пользованную п р и родой, х итрость . Дело в том, ч т о ами ногруппа одной аминокислоты может соед и н яться с карбокси11ьной группой друго й , пр и этом в ыдел яетс я вода и возни кает прочная св язь, называемая пептид н о й , п отому что образуетс я уже бе л ок, корот к и й , правда, сравн ител ь н о н еболь шой молекул ярной массы, п о лучивший название дипептид сдвое н н ы й пептид. Д и пептид с п о собен присоед и н и ть третью ами но к ислоту и превратиться в три пеп т ид, и так далее до п ол и п ептидной ( « п ол и »- мн ого) цеп о ч к и . Дл я очень грубого срав н ен и я тут можно вспомнить расклад костей дом и н о ил и п р и ч удл и в ы е комби н ации слов в модной игре «Эрудит>> . Сравне н ие, безусл овно, грубо е, потому что в живом белке бывает не по одной, а по нескольку пол и пептидн ых це пей разной дл и н ы . Например, самый « мале н ь к и й » белок (почему его и удалось рас ш и ф ровать первым) и нсул и н - состоит и з двух цепей, вкл ючающи х в общей сложн ост и 54 ам и н окислотных остатка. В гемо глоби н е уже четыре цеп и из 574 ос татков . И все же какое н и грубое это срав н е н и е, « Эрудит» вам п оможет разо братьс я в х итроум ной конструкци и . Помн ите, скол ько букв в русском алфав ите? Всего 33. А между тем п ол н ы й словарь русского языка ( п ол н ы й л и шь н а время его и здан и я , язы к ведь в с е в р е м я обогащае тся ) содержит более 200 000 слов, кото р ые состоят в ос нов н ом и з 6-8 букв. П ризовем еще в п одспорье матема т и ку. Закон сочетани й оп редел яет ч исло комб инаций из н ескол ь к и х оди н аковых ч астей, в которы х мен я етс я только пор ядок распол ожен и я . Есл и из 5 частей получится 1 20 ком бинаци й , то и з 8-м и - уже более 40 ООО, а и з 1 2 основн ых компонен тов м ожно соорудить п очти 500 мил л и онов разных сочетан и й . Вот п р и рода и вос п ол ьзовалас ь математи ческим законом дл я свои х головол о мок - создал а и з 20 ам и н ок ислот бес ч ислен н ое кол и ч ество белков, да еще повтор ила в бел ковой молекуле одн у и ту же ам инок ислоту м н о жество раз. Если взять бел ковые мо л екулы в 1 00 аминок ислот, то ч исло вариаци й из 20-буквен н ого н абора п р и детс я зап исать как еди н ицу со 1 30 н ул я м и . Такими боль ш и м и ве л и ч инами н е опер ируют даже астро номы. Ч исло атомов в обозримо до- . ступ н о й части Всел е н н о й, в кл ю ч а я галакти к и , составл яет «всего-н авсе го» еди н и цу с 80 нул ям и ! Поверьте, в ы н едаром п отрат и л и в р е м я н а п остиже н и е секретов со ставл е н и я бел ковых м олекул . Ведь свойства бел ков, те п роцессы ж и з н и , в которы х он и участвуют, к оторыми « руководят» и определ я ют, зависят в основном от п оследовател ь н ости расположен и я ам и н ок ислот в моле куле. Эта же п оследовател ь н ость ди ктует и конфигураци ю - располо жение в п ространстве того и л и и н о го белка, что тоже важно дл я его н а значен и я . Другое «жизненное» в ещество клетки, помимо белка,- нуклеино вые к ислоты. О н и п ол у ч ил и н азва н и е по месту н ахожден и я : « н укле ос» п о-гречес к и - ядро. Это вещест во, явл я ющеес я н ос ителем н аслед стве н н ы х свойств и обеспечивающее самую ответственную функцию созда н и е новых белковых молекул , воспроизводство жизни, как уже 32
А Р Х ИТЕ КТУРА К ЛЕТ К И упом и н алось,- один из главных ге роев этой кн и ги . Поэтому пока, что бы не нарушать целост ного « портре та)) клетки, упом я н ем л и шь, что нуклеиновые к ислоты - это дл ин ные, п одчас н евероятно дл и н н ы е це поч ки, к аждое звено которых, в от л и ч ие от аминок ислот бел ков, п ред став л я ет собой не одно вещество, а сл ожн ое соеди н е н и е и з трех раз н ы х молекул . Обязател ь н а я триада со стоит из азотистого основа н и я , угле вода и фосфорной к ислоты . Азотис тые основани я варь и руют в пяти в и дах : три из . н и х - урац и н , т и м и н и цитозин, а два - аде н и н и гуан и н , производные пурина. Названи я труд новатые, хотелось бы обойтись без них, да н икуда н е денешься, они н ам очень п ри годятс я. Это основа осн о в . А поскол ьку повторять и х п р идетс я множество раз, может, и удастся к ним как-то п ривыкнуть. Хорошо хоть, что углеводы нуклеиновых кис лот - всего два вида п ростого по строе н и ю п ятиуглеродного сахара : рибоза и дезокс и рибоза, отл и ч аю щиеся друг от друга л и ш ь тем, что у дезоксир ибозы отсутствует од и н атом к ислорода. Каждое трехком п онентное звено нукл е и н овых к ислот называетс я ну клеотидом, а точ н ее, м он онукл еоти дом - оди ночкой. Запомн ите тер мин, без которого не разобраться н и в ген н о й и нженер и и , н и в биотех нолог и и . Архитектура нуклеотида проста : п осред и н е угл ерод, а к н ему присоед и н е н ы с одной стороны азо тистое основан ие, с другой - ф ос форная к ислота. Мн ожество нан и- зан ных в цеп ь мононукл еот идов н а зываются п ол и н уклеотидам и и обра зуют нуклеиновые кислот ы . Всего и х две, в ы их знаете - дезокс ирибо нуклеиновая и р ибонукл е и н овая, с о кращен но «ДН К>> и «Р Н К)), Н азва н и я объ ясн я ют х и м и ч еское отл и ч и е . В Д Н К входит дезокси рибоза, а в РНК - рибоза. Главное же отли чие - у них разная структура, хот я с п особ соеди н е н и я нукл еотидов в це п и один и тот же. Основа цеп и угл ерод и ф осфорная к ислота, а азотистые основ а н и я образуют как бы боковые отросточ к и . У РНК цеп ь одиночная, у ДН К двой н а я и с кру ч е н н а я в сп ираль - нечто в роде за стежки-мол н и и , есл и ее н акрутить вдоль каранда ша. Поскол ьку секре ты отростков, л и хой закрут к и и дейст в и й , этим устройством произво димых, вам П редстоит узнать во всех п одробностях, сей час запом н ите тол ько, что ДНК и РНК составл я ют то, без ч его ж и з н и н ет и быть н е может. Если ранее с ч итал и, что основа ж и з н и - бел к и , что ж и з н ь есть способ существован и я бел ковых тел, как мудро определ ил вел и к и й ф и л ософ Ф . Э н гел ьс, то это тол ько п отому, что в то время н и чего не знали о ДНК и Р Н К , ч ь и н азван и я облетел и весь м и р в 1 953 году . Нук л е и новые к ислоты и бел к и - вот главн ое, что составл яет ж и з н ь , что делает матер и ю живой, п оскол ьку секрет « искры жизн и )) хран ят имен н о нуклеиновые кислоты, он и оп ре дел я ют, какой белок нужен, каким он должен быть создан и как он бу дет работать в клетке. 33
КОММЕНТАРИЙ КОММЕНТАРИЙ КАК ОЖИВАЕТ МОЛЕКУЛА Учень1е называют огром ные мо лекулы белков и нуклеиновых кис л от биополимерам и - живым и вы веществам и сокомолекул ярн ым и и л и «живыми молекулами » . Теперь, когда у вас сложил ос ь хот я бы при близител ьное п редставле н и е о со ставе этих слож н ы х соед и н ен и й , за думайтесь - а сп раведл иво л и та. кое название? В самом деле, так л и у ж жива сама п о себе молекула белка и л и нуклеиновой кислоты? Почему молекула сахара ил и сол и считается мертвой , когда в ней те же самые элементы, только в гораздо меньшем кол и честве? Н е в ел и ч ина же и тяжесть в кон це-то концов за став л я ют мертвое ожить . . . Конечно, биополимеры н е вполне строгое назван ие. Он о всего л и ш ь удобно. Бел к и , ДН К и РНК тоже са ми по себе мертвы, а оживают 34
КАК О Ж И В А ЕТ М О Л Е К У Л А только в том случае, к огда он и определ е н н ы м образом распол ага19.тс я в пространстве и по четко от лаженн ым правилам взаимодейст вуют друг с другом, участвуют в хими ч еских п ревраще н и ях , обмене веществ, в · самовоспроизводстве, то есть « работают)) , Обеспеч и вают та кое взаимодейств ие особые б и о лог и ч еские образован и я - мембра ны, рецепторы и ферменты. Начнем с ферментов, централь ного объекта изу ч е н и я м удрой и увлекательной науки биохим и и ствола, давшего могуч ие раскидис тые вет в и . Пусть вас н е п угает н о вый терм и н , поскольку фермен ты - это все те же знакомые вам бел ки, н о н аделенн ые особым н а значен ием . Все х и м и ч ес к и е превра щен и я в живом орган изме п роис ходят с н епремен ным участ ием ферментов, и х в ел икое м н ожество в каждой ткани, каждой клеточке, этих « возбудителей жизн и )) , Без ферментов тела и в самом деле на пом и н ал и бы безду ш н ы й с кл ад ре активов, солей, к ислот и жидкос тей. Живое существо н е может обхо диться без воздуха, п и щ и , воды. П о требл я я то, что ему н еобходимо, оно превращает « м ертвые молеку л ы)) в вещества своих тканей, а н е нуж н ые остатк и в ыводит. Превра щает п осредством м н огочисл е н н ы х х им и ческ и х реакци й , п р и которых поглощается _ и в ысвобождается энерги я . Распространен ное пон ят ие ссобмен в еществ)) точно в ыражает суть чрезвычайно сложной и целе направлен н о й совоку п ности бессчет ных х и м и ческих процессов, которые постоя н н о происходят в живых клет ках, если там соблюдаются специ альные услови я . Кажды й, к ом у п р и х одилось и м еть дело с х и м и ческ и м и реакци ям и , знает, ч т о и дут он и п о-разному. Одн и вещества «не желают)) всту пать во взаимоотношени я друг с другом, и х смесь надо разогревать, травить к ислотой или помещать в сп ециал ь н ы й аппарат, где можно создать бол ь шое давление. Другие же - напри мер, н ат р и й с водой соед и н я ютс я так легко и быстро, что п ри этом бурно в ыдел яется теп л о и м ожет п роизойти взрыв. Вспомн ите п редыдущи й очерк « А р х итектура клетки )) , как п ерв ый ис следовател ь бел ка Брако нно мучил с я с кур и н ы м я й цом, п ытаясь в ы яснить его состав с помощью г ид рол иза. С начала старался добитьс я реакции с водо й , н о сколько н и разбалты вал и н и размеш ивал , н и чего не получалось. Белок н е рас п а далс я . Тогда стал н а гревать - п о н а чал у осторожно, а п отом с ил ь н ее и сильнее, почти до к и пе н и я . О п ять неудача. Белок в ы п ал т вер дым осадком - и все, н и какого гид рол иза. И только добавка к смеси крепкой сол я ной к ислоты, а п отом м ногочасовое к и п я чен ие заставило упрям ы й белок взаимодействовать с водой и разложитьс я на ам и н о к ислот ы . Почему же вещества ведут себя столь н еоди наково? Что оп редел яет быстроту и « цепкость)) х и м и ческой реакци и? Все зависит от п р о ч н ости св язей между м олекулам и и ско рости движе н и я сам и х молекул, к о торую называют к и н ет и ч еской эн ер гией. Ведь дл я х и м и ч еского превра щени я требуетс я, чтобы м н ожество непрерывно дв ижущихс я молекул н е п росто стал к и вались между со бой - стол кнул ись, разлетел ис ь, а так сс ударил ись)) друг о друга, что разорвал и бы свои св язи и обмен я л ись атомам и , то есть преврат и л ись в молекулы совсем другого в ещест ва. Какие-то из н и х преврат ятс я , какие-то останутс я преж н и м и . По лучается, что х и м и ческая реакци я вовсе не точ н ы й , целенаправлен н ы й процесс, а, п о сути-то, случайное явление. Может п роизойти, а м о жет и не состоятьс я, с бол ь ш е й и л и меньше й степенью вероят ност и . Ес л и энерги я движен и я достаточ н а, реакци я пойдет быстро, и наоборот. Вот когда «н аоборот)), при ходится 35
К о м м ен т а р и й 2 Р и б о со м а -. А кт и в и р о в а н н ы е АТФ а м и н ок и с л о т ы + и-РНН Р асту щая п о л и п е п т и д н ая це п ь А м и н о н и с л от ы Та к мо жно пр е дставить биосинтеа - пр о иа водст во белка. Информа ционн ы е - иРНК снима ют копи ю fr реце пта>J и rтереводят" его с {(Я аы к а ДНК» на frяаык бел ка » , транспо ртные тРНК - по дают "р е це пт" на рибо сомы . Одна из н и х - испол ьзован ие ката л и заторов . Удив ительные вещества - катал и заторы . Они действуют как бы са мим своим п р исутствием , не всту п ают ни в как и е контакты с мол еку лам и реагирующих сторон , не ме н я ютс я п осле реак ци и и могут участвовать в ней многократно. добавл ять некую энергию и звне акт и в и з и ровать молекул ы, придать им акт и в н ость . Называют ее «энер гией актив аци и » . Но не всегда удоб но, а под ч ас дорого с и л ь н о нагре вать и л и сдавл и вать вещества, до бавл ять к ислоты, испол ьзовать дру гие реактивы дл я активаци и . Поэто му п р идумал и н екоторые улов к и . 36
КАК ОЖИ ВАЕТ М ОЛ ЕКУЛ А 20 Фермент лизо цим состоит и з 129 ами нокислот. Од нако важе н не только поря д о к их распо ложения в цепи, но и сложная, пр ич удливая f1закрутка 11 цепе й в пр остранстве - ffархитектура 11 белка , опре деляю щая в ыполнение его жизне нных функ ци й. Справа в в ерху на мо дели мо лекулы. в ыделе н цв етом актив ны й це нтр ферме нта. Тол ько ускор я ют п роцесс . Напри мер, один из лучших найде н н ы х человеком катал изаторов - драго цен ная плат и н а - п одстеги вает ход реакц и и в 20 ООО раз ! Но куда более пораз ител ьно работают п р иродн ые кат ал изаторь1 - фер менты. В сотни тысяч, в м илл ионы раз. ускоряются благодар я ферме нтам хим ическ ие процесс ы в живы х ткан ях, поэтому и не требуются при роде высокие тем ператур ы и давлен ия, едк ие и креп кие растворы . Все происходит мгно венно в «м ягких» услов и я х : при нор мальной температуре тела, в нейт. рал ь н о й дл я живой ткан и среде . Быстродейств ие, точ ность и и зби ра тел ьность ферментов непревзойден37
К ом м е нтар и й н ы и несопоставимь1 н и с одн и м и з искусствен н ы х катал изаторов . Заман ч ива цель - заставить фер менты работать в п ромышленном производстве. С колько удастс я сэкон омить энерг и и , матер иалов, н е н ужны стан ут громоздкие сооруже н и я , не будут загряз н ятьс я вредны м и отходами воздух, вода и почва. Но чтобы п рибл изиться к этой цел и , н адо было сначала научиться выде л ять эти ми кроско п и ческие образо в а н и я , изучить и х тон кое строе н и е , особенности , п ри н ци п действи я , а потом сделать дол гове ч н ым и - ведь живое разрушается быстро, а дл я п роизводства н еобходима п роч н ость, дол годействие, надежность . . . В науке и нтересен н е только п о л у ч е н н ы й результат, каким бы оше ломл я ющим и важн ым он_ ни бы л . Н е менее увлекател ь н о п роследить п уть от незнани я к знан и ю . Путь трудны й , и н огда очень медлен н ы й , извил ист ы й , и н огда п реодолевае м ы й богатырским скачком, но всег да будящи й воображен и е и фанта зию. П оз н а н и е и изучение ферментов с этой точки зрен и я - одна и з увле кател ь н е й ш и х глав в Вел икой « К н и ге Ж И З Н И» . Л юд и вовсю пол ьзовал ись п р о дуктами деятел ь н ости ферментов с н езапам ят н ых, «донау ч н ы х >> вре мен, н имало не задумыва ясь о том, что же это такое. Обы ч н ая п росто кваша и сычуг дл я п р и готов л е н и я сыра, солод и сброже н н ы е напитки известны с глубокой древн ости . Но тол ь ко в XV I веке врач и учен ы й из Ш в е й цари и Т. П арацельс впервые попыталс я разобратьс я в п роцессах б рожен и я с п иртового и молоч н о к ислого. · В то врем я окутан н ая по крывал ом маг и и алх и м и я уже сда вала свои поз и ц и и , и именно Пара цельс в ысказал трезвую идею о том, что настоящая цель х и м и и за кл ючается н е в изготовлен и и золо та, а в п р и готовле н и и лекарств. Провидчес к и м было и утвержде н ие Парацел ьса, ч то жизнен н ы е 2 яв лени я имеют х и м и ч ескую приро ду, а здоровье зав исит от н ормаль н ого состава «органов и соков» . Ко нечно, н и каки х экспериментал ь н ь1 х методов для обосн овани я п одобн о го утвержден и я тогда н е существо вало. Все объ ясн ял и непостижимой « искрой жизн и » , мистической «жиз н е н н ой силой » . П оэтому поздней шие п оследовател и Парацельса, уже характеризовав ш и е фермент как особое вещество, агент, вы зывающий х и м и чес к и е процессы, все же п од ч и н ял и его действи е не к и м нематериал ь н ы м м агическим в л и ян и я м . Даже в кон це X V I 1 1 века вел и к и й фран цузс к и й х и м и к А . Л а вуазье, котор ы й впервые ввел в х и м и ческ ие исследовани я строгие ко л и честве н н ые м етоды, описыва я и объ ясн я я в своих работах суть п р о цесса с п и ртового броже н и я, обхо дил мол ч а н ием роль ' ферментов . Но вот наконец в Р осси и акаде м и к К. С. К и рхгоф, исследуя пре вращен и е к рахмалов в сахар, обн а ружил в п ше н и ч н о й муке странное клейковатое вещество с н еожидан ными свойствам и . К огда Кирхгоф добавл ял его в крахмал и нес ил ьно нагревал до 40-60 градусов в те ч е н ие 8-1 О часов, то без вся кого добав л ен и я к ислоты п роисходило образов а н ие сахара. По сут и это бы ла п ервая б и окатал итическая реак ци я, целенаправленно осуществлен н ая ч еловеком . Недаром с нее ве дет отсчет своего рожден и я учен ие о ферментах . Ки рхгофу же п р и н ад л ежит заслуга получен и я в раство ре первого препарата фермента, в п оследст в и и н азван н ого амилазой . Казалось бы - путь открыт. Р аз н айдено вещество, стимул и рующее х и м и ч ескую реакци ю, остаетс я толь ко выделить его, очистить, и зуч ить и использовать. Но вещество-то находилось в смеси , в растворе. О ч и щать тогда еще не умели . Необ ходи мы х средств дл я этого не су ществовало. А умозритель н о тол ко вать полученное знание не всегда п росто. Перед наукой встал сущест38
КАК ОЖИВА ЕТ М О Л Е К У Л А венне й ш и й вопрос : распростра н я ют с я л и законы х и ми и на биокатал ити ческие реакции ил и в н и х происхо дят какие-то особые жизненные процессы, п од чи н я ющиеся собст венным, неведомым пока прави лам? Вопрос вовсе н е стол ь н а и в н ы й , к а к может в а м п оказаться с высоты вашего сегод н я ш н его п о н и ман и я . Вспом ним - ведь з а ос нову брал ись п ростые на первый взгл яд явлен и я . Уже установ и л и , ч т о вызывающие брожен и е дрожжи - живые суще ства, с п особные размножаться, рас т и . Ми кроскоп гол л андского учено го А . Левенгука п озвол ил разгл я деть и други е крохотные подвиж ные «тельца>> - м и кроорганизм ы, весьма акт и в н о воздействующие н а броже н и е и гн иен ие. Да тут еще вмешалс я со своим ош елом л я ющим открытием далек и й от науки фран цузс к и й кондитер и в и н окур Н . Ап п ер. П ытаясь п редохранить продук ты от п ор ч и , он п рогревал их в за крытом сосуде в к и п ящей вод я н о й бан е. Т а к человечество п о л у ч и л о то, чем м ы п ол ьзуемс я по сей ден ь . Да, н е уд ивл я йтес ь : к и п я ч е н и е верный с п особ п редотвраще н и я г н и ен и я и брожен и я - с ч италось н е т а к д а в н о вел и ча й ш и м открытием . Но, знач ит, думал и тогда, что-то живое при этом уби в алось. Вот и разберись, что за ферменты так и е : «КТО» это ил и «ЧТО» , «Существа» и л и « вещества». Драмати ческая с итуаци я в науке с ожесточе н н ы м и б итвам и , сп ора м и , стол к н овен и ям и дл илась более 1 00 лет. Химик и - среди н и х из вест н ы й уже Я. Берцел иус и уче н ы й Ю. Л ибих - н е уступал и пози ции, утверждая, что дрожжи всего л и ш ь вещества - ферменты. Б и ол о ги, меди к и не менее гор я ч о и с полным, надо заметить, основан и ем доказы вал и , что зач и н ател и броже н и я - живые орган измы, п р и н адле жащие к растител ь н ому царству. С и туаци я особенно обострилась, когда брожен ием стал заниматьс я з н амен итый французск и й б иолог Л. Пастер. К 60-м годам Х 1 Х века Пастер четко показал , что сбражи вают продукты раз н ы е м и кроорга н и змы. Одн и вызы вают мол о ч н о другие - уксусн о к и с л ы е , к ислые, третьи - с п и ртовые п роцессы , с в я зан ные с ж и з н ь ю ж и в ы х клеток, а н е с и х смертью и л и г н и е н и е м . Однако Юстус Л иби х, круп н ы й авто р итет среди х и м и ков, с ч и тал такое объяснение смехотворным и не лепым. О н не мог себе п редставить, чтобы стол ь вел и коле п н о изученная х и ми ческая реакци я , как образова н ие уксусной к ислоты путем ок ис лен и я с п и рта, могла рассматривать с я не как х и ми ческое превращение, а как проявление жизненной актив ности ми кроорга н и змов . Тогда-то и возн и к терм и н «энзи мы » , обо значающи й груп пу ферментов веществ, раствор имы х в воде и « н еорган и зован ных» ( «Эн-з имон » п о гречески « н а закваске»), в отл и ч ие от ферментов - существ , ко торые сч итал и живыми орган из мам и . Постеп е н н о обе стороны исчерпа л и научные аргументы в дискусс и я х и перешл и на взаимные обв и н е н и я и оп роверже н и я , зан имавшие стра н и цы специал ь н ы х журналов бол ее 20 лет. Конец борьбе положил Л . Пастер, 1 О феврал я 1 879 года высту п и в ш и й н а собран и и А кадем и и наук с о следующим мудрым обра щен и ем к оппоненту : «Как может быть, что мой ученый друг не пон имает, что в ыводы, ко торые сдел а н ы из работ того ил и другого и з нас, н е м огут служит ь п редметом дискусс и и до тех пор, пока нов ые факты, п о я в и в ш ись, не опрок инут их?" Тол ько время судь я в этом споре, и п р итом выс ш и й судь я ! Как может быть, что он не признает, что п р и говор врем е н и я н и когда н е оспорю? » С п ор прекратился п о-джентль менски, но вопрос осталс я без от вета. Дл я ответа н адо было п ол у ч ить растворен н ы е ч истые фермен39
К о м м е н та р и й 2 крахмал а . Достаточно кап нуть кап лю й ода, чтобы п олучить с и н ее окраш и в а н и е смес и , в которой есть крахмал . Дл я ферментов же таких реакт и в ов не существует. Выяв ить можно ферментов п р исутств ие тол ько п о и х действ и ю . Почти как в детекти в е : есл и остаются следы, и х тщател ь н о и зучают. Ну, к п римеру, вы хотите вы ясн ить, есть ли в п и ще варител ь н ом соке фермент, рас щеп л я ющ и й бел к и . Реакт и ва, даю щего характерн ое дл я такого фер мента окраш иван ие, нет. Вам при детс я к исследуемому соку доба в ить белок, п одержать смесь п р и температуре ч еловеческого т е л а 37 градусов, а п отом с п омощь ю п риборов проверить, что произо шл о с белком. Предположим, белок распалс я . З н а ч ит, вы решаете, что в соке был расщепл я ю щ и й фермент. Но может оказатьс я, что там н е сколько сходных по дейст в и ю со братьев. Какой же и з н и х ? Если вы попробуете выделить нечто и з раст вора тради цион н ы м способом - до . бавите сп ирт, получ ите осадок и отф ильтруете, то н и в раст воре, н и в осадке н икаких ферментов н е ок ажется . Куда ж е он и исчезл и ? В том-то и дело, ч т о н е исчезл и , а п оте р я л и акт и в н ость . С п ирт уб ил жи в о й катал и затор, он уже не с п о собен расщеплять белки, а знач ит, н е существует . . . Х и м и ч еская нестойкость, у я з в и м ость эти х ун и кальных м олекул и делал и столь сложной и трудоем кой задачу биохимиков. Позарез н ужен был прежде всего н адеж н ы й и щад я щ и й метод в ыделен и я и оч истк и , чтобы ферменты не тер я л и с воей акт и в н ости и н и чего и з своих п отрясающих свойств, п о п адая в ру к и исследовател я . Немало п р ишлось потрудиться экс п ериментаторам и х и м икам-ана л ит икам, немало п редл агалось и от вергалось методов и способов , раз горалос ь споров, пока не подтвер дилось предпол оже н и е академ и к а И. П . Павлова о бел ковой п р ироде ты, освобожден ные от клеток дрожжей . Все п о п ытки Ю . Л ибиха, М . Бертло и м н огих други х х и м иков н е п р и н есл и успеха. Тол ько в 1 897 году это удалось сделать Э . Бухне ру. Он п ромыл п рессова н н ы е дрож ж и , растер их в ступке с кварцевым пес ком, добав ил в воду и догадал ся отжать всю массу п од гидравл и ческим п рессом при давлен и и в 500 атмосфер. В получен н о й жид кости н е оказалось ни дрожжев ых клеток, н и даже и х оскол ков, а между тем добавка н ебол ь ш ого ее ко л и чества в раствор сахара очень быстро в ы зывала спирт.о вое броже н и е - в ыдел ялся углек исл ы й газ, а в п робирке оставался с п ирт. Э . Бухнер п ол у ч и л в 1 907 году Н о белевскую прем и ю за безуп реч н ое доказательство х и м и ческой п р иро ды п роцесса ферментац и и , легко в ос п ро изводимого вне орган изма. Терм и н «ЭНЗИМ>> п отерял самостоя тел ь н ое значен ие, но сохранился как с и н о н и м пон я т и я «фермент» б и ох им и ческое в ещество. Как всегда бы вает, тут же воз н и к новы й достаточно сложны й вопрос, а за ним еще и еще, что, с обствен н о, и есть суть познан и я . Как устро ены ферменты? Каковы их х и м и че с к и е особен н ости? Без точ н ы х опре делен и й н евозможно изучать свой ства, объ ясн ять п оведен ие в раз н ы х услов и ях . Всего несколько дес ятилет и й н азад хим и к и не умел и получать ферменты в ч истом виде. Задача казалась непосил ь н о й . Посколь ку ферменты действуют только в клетках и ткан я х животных и рас тен и й , кол и ч ество и х н и чтожно, а в ыдел ить работающий фермент, н е п овред и в , и з сложной смеси м н огоч исл е н н ы х орга н и ч еских ве ществ п редставл ялось нем ысл и м ы м . Ведь обы ч н о, когда химик хочет обнаружить какое-л ибо веще ство в массе други х, он испол ь зует хорошо известную реакци ю. Д л я грубой аналоги и вспом н и те, как можно оп редел ить п р исутст в и е · 40
К А К О Ж И ВА ЕТ М ОЛ Е К УЛ А ферментов. Как тол ько точно уста нов и л и , что ферменты - все-так и бел к и , н аука о н и х сделала г и гант ский скачок. Успехи следовал и оди н з а другим, и перед учеными от крылс я новы й уди в ител ь н ы й м и р жи в ых мол екул . Бел к и - основные элементы жи вых с истем разной степен и сл ожн о сти - обладают поистине ф антасти ческими возможност я м и и в ыпол н я ют разнообраз ные фун кци и . Но все свойства их, как в ы уже зн аете, п оследователь оп редел яются ностью распол оже н и я остатков ам и нокислот в молекуле. Эта п оследо вател ь н ость называетс я перв и ч н о й структурой . Точное установл е н и е е е чрезвычайно важно. Б ыстро, буквал ь н о за п ослед н и е годы, бы л и разработаны н адежн ы е и даже ав томат и з и рованные методы « п рочте н и я »-« рас ш ифровки » бел ков. Н ы не уже удалось оп редел ить п ол ну ю п осл едов ател ь ам и н окислот н у ю ность м н огих белков , в том ч исле ферментов. Дл я в ы я влен и я акт и вн ости фер ментов весьма важны и другие спе циф и ч ные свойства живых молекул, в частност и, так называемые в ыс ш ие структуры - втор и ч н а я и тре т и ч н а я , а п роще говор я - особое . расположен ие, «Закрутка» дл и н н ой цепочки в пространстве. В отл и ч и е от крепко х и м и чески с в я з а н н ы х звеньев - а м и н ок ислот перв и ч н о й цеп и , «закрутка» поддерживаетс я сравн ител ь н о слабы м и внутримол е кул ярными с в я з я м и , их л егко раз рушить с помощью разл и ч н ы х ф и зи ческ и х и х и м и ческ и х воздейст в и й . Разрушение высших структур белка при сохранен и и перв и ч н о й и есть сущность ден атураци и, «сварива н и я » , у н и чтожен и я биологических ' функци й . Так ч то кажды й раз, п р и го товл я я я и ч н и цу и л и крутое я й цо дл я салата, вы осуществл яете х и м и чес кую реакци ю денатурац и и бел ков . . . Благодар я тон кому и сложному рентгеноструктурн ому методу анал и зу и другим совреме н н ы м средствам, - удалось установить в ыс ш и е структуры дл я м н огих фер ментов. Кстат и , некоторые и з н и х обладают, к а к в ы ясн илось, еще бо лее в ысоким уров нем - четверт и ч ной структурой - ком плексность ю . Б и ологическая рол ь так и х бел ков зависит не от одн о й , а от н есколь ких молекул, ч аще двух или четы рех, образующих еди н ы й ком плекс со специфи ческ и м и свойствам и . К 60-м годам, когда бы л и созда ны автомат и ческ и е анал изатор ы дл я п оследовател ь н ос т и определ ен и я ч исло остат ков, ам и нок ислотных п ол н остью рас ш ифрован н ы х ф ор мул белков стало быстро раст и . Их сегод н я уже более 2 000. П р и ш л ос ь составл ять специал ьные атласы структур, и , в идимо, вскоре проще станет хранить и н формаци ю о стро е н и и живых молекул в памяти элект ронн ых маш и н . Когда ч и сл о о по з н а н н ы х и изучен н ы х ферментов столь стремительно увел и ч илось , возни кла проблема и х назва н и я . Вначале кажды й автор, откры в ш и й фермент, придумывал, ч т о хоте л . Т а к появились и сохран ились п е п с и н и т р и п с и н - ферменты желудо ч н о го сока, д иастаз и н екоторы е другие. Но дл я сотен и сотен веществ требо валась какая-то четкая класси ф и ка ци я , какое-то единство. П ростой и предложил разум н ы й принцип ф ранцузс к и й у ч е н ы й П . Э . Д юкло : давать назв а н и е по веществу, на ко торое фермент воздействует, по субстрату, п рибавл я я око н ч а н и е « аза» . Е с л и это мочев и н а - уреа, знач ит, уреаза, крахмал - амилум амилаза, РНК - Р Н Каза, карбоксил ь ная груп па - карбоксилаза, так что ясно, что имеешь дело с ферментом . Хотя все без искл ючен и я бе л к и п остроены из ам и н ок ислот, н е у всех в состав е тол ько он и одн и . В особен н о сл ожн ых белках содер жатс я допол н ител ь н ы е н ебел ковые группы, п ридающие и м особы е свойства. Например, гемоглоб и н крови состоит из п ростого белка глобина и гру п п ы , содержащей 41
Коммента р и й 2
КАК ОЖИВАЕТ МОЛЕКУЛА железо - гема, придающей соеди н е н и ю крас н ы й цвет. Фермент·ы также бы вают более простым и и бо лее сложн ым и . Входящая во мно гие из н и х н ебелковая ч асть, как правило, непосредствен но участвует в реакции и вместе с оп редел е н н ы м ам и н ок ислотным участком образует очень важн ы й в работе фермента «акт и в н ы й центр>> . Есть он и в п рос тых, не содержащих н ебел ковые включен и я , ферментах, н о там его образуют тол ько аминокислот н ы е груп п иров к и . Э т а часть молекул ы настоящий м и н иат ю р н ы й шедевр п р и роды. Имен н о акт и в н ы й центр обеспечивает одну и з самых уни кал ьн ых особен ностей ж и в ы х ката л и заторов - и збирател ьность, с по собность «узнавать » еди н ствен н о н ужное дл я реакции вещество и з многих других ( х и м и к и именуют его субстратом) и соед и н яться с н им, обеспе ч ивая х и м и ч ес к и й п роцесс . Первые п редставлен и я о том, что такое акт и в н ы й центр, где он распо лагаетс я и как устроен , дало изуче н ие деталей орган и заци и л и зоци ма - фермента, содержащегос я в слезах, слюне, а также в я и чном белке. Л и зоцим построен и з 1 20 ам инок ислотных остатков. Задача его - охран ять орга н и зм от бакте р и й . Выпол н я ет он свою задачу весьма ори г и н ал ь н ы м способом : разрушает пол исахар иды, в ходящие в состав стенок клеток бактер и й . Фермент строго п р испособл ен тол ько дл я одн ого : разрывать с в я з и между д в у м я ам и н осахарам и , вхо дящими в состав п ол исахар идов . Рентгеноструктурн ы й анал из п о казал , что молекула л изоцима н а поминает своей формой коротки й цили ндр с н ебольшой выемкой, примерно посред и н е . Эта выемка и оказалась местом активного центра. Более тщател ьные исследован и я уточ н и л и , что выемка п редставл яет собой узкую п еремычку между двумя масс и в н ым и част я м и моле кул ы , своеобразн ы й желобок, вдоль которого укл ады ваетс я цепочка по- л исахарида, подвергающаяся гидро л и зу, разрушаем а я . Есл и же фер мент образует компл екс с трисаха р идом, очень похожим н а п ол иса харид, но с более ш ирокой, чем желобок акт и в н ого центра, цеп ь ю и поэтому н е способ н ы й уложиться в н его, то н икакого г идрол иза н е не Сл едовател ь н о, п роисходит. только груп п ировка ам инокисл от ил и небел ковых включен и й , н о и высшие структуры , форма поверх н ости акт и в н ого центра оп редел яют и збирател ь ность дейст в и я . Анал и з соединен и я фермента с п одавл яющими реак ц и ю вещества м и - и н гиб иторам и п рол ил свет н а е щ е одну существенную особен н ость. Оказалось, что п р и соеди н е н и и с веществом - субстратом объемная форма молекул ы н ем н о го мен яетс я, в ней как бы воз н и ка ет напряжен ие, позвол яющее « За хватиты> субстрат . Известн ы й авст р и й с к и й биох и м и к Э. Ф и ш е р объ яс н ял это взаимодейств и е п р и н ц и п ом «ключ-замок». Образное оп ределе ние п р и в илос ь и часто п р и водится в статьях по биох и м и и . Н о н е я с н о, ! что явл яется замком, а что ключом. Вероятно, более точ н о отражает п роисход я щее образ стрелы и л у ка, предл оже н н ы й академи ком Ю . А. О в ч и н н иковым, ведущим ученым в обл аст и б иоорга н и ч еской х и м и и . Есл и вообразить, что фер мент - это лук, а субстрат - стре л а, то ком п лекс фермента с веще ством можно п редстав ить в виде как бы натянутого лука, готов я ще гос я выпустить стрелу - п ровест и реак цию. Степе н ь н ат яжен и я тети в ы - измене н и е конф и гурации ак т и вн ого центра - и положе н и е стрел ы, мен я емое тет и в о й , обеспе ч и вают удив ител ь н у ю точ н ость до стижен и я цел и . Так весьма, конеч но, п р иближе н н о мож н о п редста вить себе гл авную тайну бы т и я б иокатал и з - искл ю ч ител ьную ак т и в н ость и н евероятную и зб и ра тел ь н ость и с пеци ф и ч н ость «двига телей жизн и »- ферментов. 43
Коммента р и й 2 А н алоги я с луком и стрелой уда ч н а еще и потому, что позвол я ет пон ять, почему ферменты п ред став л я ют собой так и е сложные и дл и н н ые м ногозвен ные молекул ы . Казалось бы, р а з реакци ю обеспе ч и в ает акт и в н ы й центр (всего н е сколько, а то и два ам и н ок ислот н ы х остатка), к ч е м у п р и роде такое и з л и щество - сложней ш ие белки? Н о оказываетс я , что есл и даже очень осторожно разрушить гидрол и зом н екоторы е «звен ь я >> п ол ипептидной цеп и , происходит частичная, а то и пол н а я п отеря акт и в н ости ф ермен та. С н ачала п редполож и л и , что эти звен ь я , эти аминок ислоты входят в состав акт и в н ого центра. В ы яс н и л ос ь - н ичего п одобн ого. Дл я этого они с л и ш ком далеко отстоял и друг от друга. Но в едь вл и я ют же как-то. Знач ит, как-то и сбл ижаются в про странстве с акт ивным центром . Вот, оказываетс я, дл я чего и пон адоби л ись высш и е структуры - закруч и ван ие цеп и в глобулу, п р и дан и е е й с в оеобраз н ы х форм. А н екотор ы е эксперименты показал и , что дл я создан и я необходимого напр яже н и я -«нат я гиван и я тет и в ы », без ко торого не н ацел и ш ь стрелу, то есть н е п рои зойдет реакци я , нужна до статочно бол ь шая и очень точно орган изован н а я - каждое звено н а своем месте - молекула. В клетке часть ферментов раство рена в п ротоплазме и катал и з и ру ет превраще н и я н ебол ь ш и х моле кул . Мален ькие субстраты легко п еремещаютс я в ж идкости и быстро н аходят дорогу от одн ого фермен та к другому. Однако есть и м н ого компонентные молекул ы , которые у ч аствуют в чрезв ычайно сложн ы х ступ енчатых п роцессах. Например, сам ы й круп н ы й фермент -«ДН К зав и с имая РНК-полимераза» , струк тур а которой рас шифро вана в И н химии б иоорга н и ческой ст итуте имени М . М . Шемякина АН СССР. РН К-полимераза осуществляет важ ны й цикл в клетке : считывание и н формаци и , своего рода и н струк44 ции с генов, с двойной спирал и ДНК. Дл я этого фермент должен п режде всего найти тот участок с п и н а ч инается которого с рал и , «текст»- с и нтез РНК, и специ ф и ч н о соеди н иться с н и м . Затем он дол жен расплести кусочек перекручен ной двойной с п ирал и и начать на в ы п р ямлен ном участке с и н тез Р Н К . А п отом , как робот-чел н ок на швей ф ермент маш и н е-автомате, ной дв ижется вдол ь с п и рал и , расплета ет, с и н тезирует РНК, заплетает за собой обработан н ы й участок. Нако нец, в определен ном месте, кото рое также точно узнает фермент, с и нтез п реры ваетс я, и он отдел яет с я от ДНК . За п роцессом вн има тельн о следят и руководят им м н о жество бел ков-регул яторов, спос об н ы х акти в и з и ровать и л и п одавл ять с и нтез - работу фермента, есл и воз н и к н ет необходимость. Сл ож н ости функций Р НК-пол имеразы соответствует и сложн ость ее строе н и я . Это цел ы й ком плекс из п яти отдельных белковых молекул : две п омен ьше - п о 329 ам и н окислот н ых остатков, две огром н ые, из 1 324 и 1 407 остатков каждая , и одна - среднего размера. Кстат и , разные ферменты и ногда объед и н я ютс я между собой в ком п лексы, образуя как бы м и н иатюр ные автомат и ческ ие л и н и и . Такие л и н и и действу ют п р и производстве в орган изме жирн ых к ислот - ос н о в ы л и п идов, жировой ткан и . Есл и комплекс искусственно расчленить н а состав л яющие его отдел ь н ы е ферменты, о н и тер я ют акт и в н ость. Вероятно, дл я клет к и в ыгодн о и меть « п оточ ную л и н и ю»- сокра щаетс я п уть п ромежуточ ных про дуктов реакци и от одного фермен та к другому, н аводится пор ядок в пространствен н ом распол оже н и и эл ементов п р и реакциях обмена ве ществ . В и н ы х случаях круп н ы е ферментные с истемы непосредст вен н о включаются в кл еточ ные структуры. В мембран ы, раздел яю щие п ротоплазму и ядро, ил и в
К А К О Ж И В А ЕТ М О Л Е К УЛ А Устр о й ства , ис пользуемые совреме нно й б иотехнолог ие й , н и ка к не назо в е шь пр и б орам и . Та к выгля дя т с оор у же ния , у ча ств у ю щ ие в процессе полу чения и о ч и щ ения г ормо на инсулина . рибосомы - фабри к и п о производ ству бел ка. Т ак, вся дыхател ьная с истема - это « конвейер)) фермен тов, обеспечи вающих окисл е н и е ве ществ в орган изме к ислородом , п о ступающим с воздухом . Ферменты « конвейера)) п р и креплены к в н ут ренней мембране специал ь н ы х «энергет и ческих стан ц и й )) в н утри 45 клеток - м итохондр и й и с оставл я ют часть их структуры. Так же действуют р ибосомы ф абр ики по сборке - с и н тезу бел ка. Р ибосом ы обы ч н о объе д и н яютс я в конгломераты, н азываем ые п ол и сомам и . В них п роисходит один из самых, п ожал уй, сложн ых биоката л и т и ческих п роцессов, орган и заци я
К ом м е нт ари й 2 которого поражает воображение своей тонкостью и четкостью. Про необходимых изводство белков, клетке, включает испол ьзоваRие специал ь н ых « и нструкций))- биоло ги ческой и нформаци и о составе и ф орме тех или иных белков, зап и санной на молекулах РНК, которы е с и нтезирует уже и звестная н ам молекулы Эти РНК-поли мераза. служат одновременн о и матрица м и - как бы п ространствен ной фор мой дл я синтеза п ол и пептидной цеп и . Такой п роцесс п роисходит в живых организмах п остоянно и не п рерывно. Ведь л юбые белк и , со став л я ющие живую ткань, в том ч исле и ферменты, все время раз рушаются и обновл я ются - вновь воссоздаются . Это - сама жизнь. А н ал огов такому процессу в обы ч ной орган и ческой х и м и и не сущест вует. В этом эвол юция пока гораз до изощренн ее и изобретательнее всех искусных человеческих свер шен и й . Н о и природе дл я процессов со зидан и я , поддерживающих жизнь, также необходимы оп ределен ные «детал и )) и матер иалы, как какому н ибудь крупному промышленному комби н ату. Есл и каких-то детале й н е хватает и л и он и н едостаточно качественные, то здесь, как и п р и сборке н а заводском конвейере, п роисходят сбои и нарушен и я останавли вается рост, возникают болез н и . Бел к и в клетке строятся и з веществ, н е в ырабатываемых са мим орган и змом, а получаемых им из п ищи. Поэтому очень важно, что бы в п родуктах п итан и я обязатель но находились в достатке н еобходи мые дл я п острое н и я бел ков амино к ислоты, тот сам ы й н абор и з 20, н е случайно названных « н езамен имы м и )) , Н е последн юю роль играют и ви там и н ы . Так назвал и («в ита)) жизнь) разл и ч ные соединен и я с об щей биологи ческой особенност ь ю : орган и зм и х н е производит и дол жен получать в готовом в и де с п и- щей. Интересно замет ить, что наука о витам и н ах долгое время развива л ась абсолютно независимо от изу чен и я бел ков и ферментов. Пути эти х областей пересекл ись в про жекторах физики и х и м и и , и сразу же многое загадочное и непон ят н ое «встало на свое место)) , С ка жем, н икак не могл и пон ять, поче му недостаток витам и н ов вызь 1вает \ довол ьно непри ятные, трудно !Под ия. заболеван ю и лечен дающиеся Как только разобрал ись в специфи ке дейст в и я ферментов , стало ясно, что активность некоторых и з них во многом зависит от стимул яци и в ита минами, от соединен и я с н им и . Не хватает того и л и и н ого «Помощни ка))' и фермент ослабл яется, а то и вовсе теряет работосп особность, значит - не пойдет та или иная реакци я, н е образуются или не ути л и зуютс я н еобходимы е для жизнен ных п роцессов вещества, физиоло гическое равновесие нарушитс я . Например, в итами н 8 1 - тиам и н , соединясь с ферментом декарбо ксилазой, становится его небелко вой частью. Декарбокс илаза отвеча ет за обмен орган ических кислот молочной, уксусной, мочевой и других. Попул ярное и де йственное л екарство кокарбоксилаза создано благодаря точному знан и ю тон ких механизмов биокатал иза. А витам и н 8 2 - рибофлав и н и РР - н и коти н о вая кислота необходимы дл я дейст в и я очень большой группы фермен тов, от которых зависит высвобож ден ие и испол ьзование энерги и в орган изме. А в итам и н оз 82, кото рый правильнее было бы н азвать аферментозом, - вызывает тяже лые поражен и я кожи, л и ца, глаз. Теперь не кажется уди вительным и столь ощутимый эффект н и чтож н ы х кол и ч еств в итаминов. Суточная п отребность в н и х составл яет мил л и граммы и даже доли миллиграм мов. Но ведь и общее кол ичество ферментов в орган изме тоже н и чтожно мало. Как говор ится, мал золотник, да дорог. Одн а молекула 46
К А К ОЖИ ВА Е Т М О Л Е К У Л А фермента способн а вызывать п ре вращен и я у огром ного ч исла моле кул других веществ, оставаясь ак тивно й . Зная все это, можн о судить, ка кую цен н ость п редставл яет испол ь зование ферментов в п ракт и ч еской жизн и . Естественно, прежде всего в медицине. Впервые п о я в и л ась н а дежда избав иться от с ч итав ш и хс я неизлеч имыми загадо ч н ы х болез нен. Ведь главное - пон ять п р и ч и ну. А есл и известно, ч т о вызван ы он и отсутствием и л и сн ижен ием активности какого-л ибо фермента, знач ит, можн о с и нтези ровать соот ветствующи й препарат или п одо брать замен ител и и избавить ч ело века от страдан и й . Вот один из н агл ядных результа тов п р именен и я знан и й в п ракт ике. Из каждых 1 5-20 тысяч рождаю щихся в мире детей у од н ого вы явл яется сл абоум ие. В ы ясн илос ь, что п р и ч иной явл яется недостаток фермента со сл ожн ым н азван ием фен илалан и н г идрокс илазы, отвеча ющего за первое обмен ное п ре образование ам инокислоты фени лала н и на, превраще н и е ее в другую аминокислоту - тирози н . Есл и фе н илалан и н не переходит в ти ро зин, то и з н его выдел яются ве щества, губител ь н о действу ющи е н а развитие мозга, возн и кает умствен ная отсталость. Оказалось, что п ре дотврат ить трагичес к и й исход в п ол не возможно. В первые н ескол ько мес я цев нов орожде н н ому н ел ь з я давать п ищу, содержащую фе н и лала н и н , то есть бел к и . Надо подо брать специал ь н ы й п р и корм . За щищен н ы й мозг успевает за это время окреп н уть, а п озднее про дукты обмена фен илал а н и н а уже Однако неопас н ы м и . станов ятс я строгая диета н еобходи ма тол ько ребенку с дефектом фермента, п о этому вы явить этот дефект н еобх о димо в первый же день ж и з н и . К счастью, удал ось разработать простой способ оп ределен и я н еду га. Кусочек ф и л ьтровал ь н о й бумаги , · п роп итан н ы й специал ь н ы м реакти вом, окра ш и в аетс я в с и н е-зел е н ы й цвет, есл и в моче содержатс я об менные вещества фен илалан ина, которых там быть не должно. Не менее важной стала «фер ментная» диагност ика и у взрос л ы х . В частности, п р и распростран е н н о й , к сожал е н и ю , болез н и современ н Qсти и нфаркте м и окарда - п ре краще н и и с н абжен и я кров ь ю участ ка мышцы сердца и ее омертвен и и . П р и зтом заболеван и и задол го до того, как наступ ает омертвение, н а п рон и цае увел и ч иваться ч и н ает мость клеточных мембран и в п л аз ме крови повышаетс я акт и в н ость некоторых ферментов, особе н н о креат и н к и назы. Метод ферментно го анал иза позвол яет оп редел ить заболевание в первые же его часы, когда электрокардиограмма бес с и л ь н а что-л ибо в ы я в и т ь . А п р и. и н фаркте особе н н о важно н емед л е н н о п р и н ять акт и в н ы е меры и тем самым п редотврат ить развитие тя жел ых осложнен и й , с п асти ж и з н ь бол ьн ого. П р имерам нет ч исла, и вы еще м н огое узнаете о ферментах и бел ках, которые п р иобретают все боль шее значение в самы х разл и ч н ы х областя х человеческой деятел ь н о сти . Тем более что л юди нау ч и л и с ь си нтези ровать бел ки и переделы вать и х так, как и м нужно дл я разн ы х целе н , ч т о и легло в основу новой биотех нологи и , о которой реч ь в перед и . П о к а ж е о к и н е м взором в с ю вел и ч ественную л ест н и цу познан и я живой матер и и . Осн о в н ы е е е сту п е н и поможет вам н аметить в и це п резидент Акаде м и и наук СССР академ и к Ю. А . О в ч и н н и ков, Герон Социал исти ческого Труда, извест н ы й биох и м и к , и збран н ы й летом 1 984 года на юбилейной конферен ц и и в Москве президентом Феде рации европейских б и ох и м и ческ и х обществ (ФЕБО), объеди н я ющей все биохими ческие учрежден и я и орга н и заци и Е вроп ы . 47
ИНТЕРВЬЮ ИНТЕРВЬЮ Акад ем ик Ю. Овчинников СТУПЕНИ ПОЗНАНИЯ живого в биохими и ! Не п роизошло п и н а н а ш и х rnaзax то, ч т о п е т 1 5 назад сnучиnось в атомной физике, коrда развитие знаний об атомном ядре, появление в СССР первых атомных электростанций п ривnекnо повы шенное внимание п ромышленных круrов, и сс иrрушка ученых )), как в те времена некоторые называли изучение атомноrо ядра, стаnа п редметом забот и даже конкурен- - В п оследнее время п оявляет ся все больше и больше п ромыш ленных орrанизаций и н овых фирм, которые серьезно занимаются са ас пектам и мыми современными биотехноnоrии, биохимии, биофизи ки. О н и успешно выходят со своей арену. мировую на п родукцией Можно п и расцен ивать это, Юрий А натольевич, как своеrо р ода пере ломный момент, своеобразный этап 48
С Т У П Е Н И П О З Н А Н И Я Ж ИВ О Г О ции технол оrов и инженеров, п ро никнув стрем ительно во мноrие сферы п овседневной жизн и ! В нау ке об атоме своеrо рода перелом ным моментом сч итают 1 1 Всемир ную конференцию в 1 964 rоду в Женеве. Может быть, и юбилейная XV I конференция ФЕБО 1 984 rода войдет в историю биохимии в ка честве знаменательноrо JТапа кар динальноrо перехода фундамен тальной науки на п ромы шленные рельсы! Каково Bawe мнение, как ведущеrо специаnиста, возrлавляю щеrо JТИ области . науки в наwей стране ! - Н е исключено, что так оно и будет . Во всяком случае, Вы правы, тенденци я п р и обретает п одобн ы й характер, поскол ь ку в п оследнее врем я акценты резко сместились. Интерес коммерчес к и х п ромышлен ных ф и рм к нашей темат ике растет не по дням, а по ч асам, и разумеет ся, не только за рубежом . Совет ская промышлен ность - и меди цин ская и м и к робиол огическ а я, произ водства, связанные с сельск им хо зяй ством, энергетика - все бол ь ше и больше начи нают входить в контакт ы с науч н ы м и учрежден и я м и , п р и н имать непосредс т венное участие в работе. И должен сказать : т акие контакты в нашей стране уже четко отлажены, п оскольку гл авные задач и, которые мы се й ч ас перед со бой ставим,- это быстрейшая пере дача круп н ых научных достиже н и й в практику, что, разумеется, даже в малейшей степени н е п р и н ижает значен и я фундаментал ь н ы х разра боток. Они был и и всегда остан ут ся самыми важными . Но, у ч и тывая, что ранее имел ись у нас некоторые сл абости в п ракт и ч еской реал иза ции, мы теперь в нашей деятель н ост и , в том ч исле в Академ и и н аук СССР, акценты н ескол ько сместили и убеждены - н амечен н ы е совместные п рограммы с про мышле н н ыми учрежден и я м и сы гра ю т важн у ю рол ь в быстрей шем движе н и и вл еред. 4 ж во в р ожек ра н е то .... п х �укн Ведь наука о ж и з н и - б и ол о ги я - сегод н я необы ч а й н о богата новыми открыт и я м и , не только рево л юцион изирующими п редстав л е н и я о ж ивой матер и и , н о п р я м о вл и я ю щими на развитие мед и ц и н ы , сель ского хозя йства, осн овных отраслей промы шленности . При чем проис ходит все, можно сказать, стрем и тел ь н о. Даже самые смелые про гнозы, которые делались, к п ри м е ру, о возможност ях современной молекул ярной гене т и к и ил и ее прак т и ч еского приложе н и я - генети че ской и нжене р и и ,- тут же опровер гаются еще более уди в и тел ь н ы м и свершен и я м и , основа н н ы м и на глу боких фундаментал ь н ы х раб отах. Казалось бы, совсем н едавно рас ш ифрованы принципы строе н и я вещества н асл едственности - двой ной спирал и ДНК, а ученые уже мо гут перекраивать эту тайную тай н ы х п о своему усмотрен и ю, м а н и п ул и ровать ее глав н ы м и элементами генам и , п олучая искусстве н н ые, и л и , к а к п р и н ято н азывать, рекомбин ант ные генети ческ ие молекул ы . С его д н я мы говорим о целой отрасл и б иотехнологи и , п олуч и в ш е й зн аме н ател ь н ое н азван ие - « и ндуст р и я ДН К » . Ее глав ные объекты пока, п равда, л и ш ь м и к роорган измы, но уже н аметил ись реал ьные п одходы в мире расте н и й , сдел аны первые попытки вмешательства в более труднодосту п н ы й н аследствен н ы й аппарат живот н ых . Дл я фундамен тал ь н о й н ауки - это н а иболее эф фект и в н ы й и п р ямой путь и зуче н и я комплекса с истемы н аследст венности, ее структуры и функци й , то есть прон икновение в суть секре тов п родолжен и я ж и з н и в ида, рода, кл асса жи в ы х существ. С п ракт и ч е ской же точ к и зрен и я - это основа создан и я поначалу и н ых м и кроорга н и змов с заранее сплан ирован н ым и качествам и , в ысокой п родукт и в н о стью, например, прои з водителей кормового белка, лечебн ых ве ществ или п ожирателей вред н ы х отходов . В растениеводстве - п ол у49
И н терв ь ю 2 ч е н и е _ пр и н ц и п иально новых гибри дов с высокой урожа й н остью и максимал ь н о й устой ч и в остью к н е благопри ятным п р и родн ым факто р ам . Есть основан и я говор ить о гря дущих револ юцион н ы х п реобразо ван и я х в жи вотноводстве и об успешной борьбе с н аследствен ными болез н я м и людей . Хотя эксперименты в генети чес кой инженер и и невероятно слож н ы , т е м н е м е н е е тем п ы движе н и я впе ред н астолько стремител ь н ы , что я затруд н я юсь п р и вести адекватное сравнен ие с л юбой другой облас тью биол о г и и , да и , п ожалуй, н ауки вообще. Например, и з клеток чело веческого орган изма удалось в ыде л ить ген ы , ответствен н ые за биос и н т е з важней ш и х бел ков-регул яторов : гемогл об и н а, перенос ч и ка кислоро да кров и, инсул и н а - гормона п од желудоч ной железы, защитного и н терферон а и други х . Так ие ген ы встро и л и в ДН К быстрорастущих м и кроорган измов, что дало воз можность получать в ощути мых ранее недосту п н ы е кол и ч ествах жи зненно важн ые биорегул яторы . Это - лекарства новой эры, естест в е н н ы е дл я человеческого орган из ма и одновремен но п редстав л я ю щие собой у н и версал ь н ы е и безот казные с редства борьбы с в и рус н ы м и заболеван и я м и , д и абетом , бо л е з н я м и крови . . . Все бол ь ш е и бол ьше медицин ских, лечебн ы х препаратов, создан ных методам и ген ной инженер и и и н еобходимых человеку, стан овятс я ш ироко доступ н ы м и , все чаще к с о времен н ы м н ауч н ы м средствам обращаетс я с бол ь ш о й пользой сельское хозя йство. Кстат и , успех и в познан и и механ измов регул яци и н а уров н е целой клетки обуслови ли воз н и к н овен ие и быстрое раз в итие новой н ауки - кл еточной б и о л о г и и , что, в свою очередь, п р ивело к рожде н и ю клеточной тех н ол о г и и - клю чевого звена б и отех н ол о г и и н а ш и х д н е й . Нар яду с крупней ш е й в м ире п ромышлен ностью м икробиологического с и н теза бел ка дл я сельского хоз я йства в СССР начал и на осн ове фундаментал ь н ы х разработок в лаборатор и я х произ водить биомассу жен ьшен я и дру гих редк и х и цен н ы х лекарствен ных растен и й . Клеточную техноло г и ю используют дл я создан и я меж в идов ых гибридов, обы ч н ым путем н е соедин яем ы х . иммобил изованвозьмем Или н ы е - закреп лен н ы е н а подложках, став шие благодаря этому «дол го вечны м и » , дол годе йствующими ферменты, это также уже целая и ндустр и я , и какая эффекти в на я ! Если же говорить о клетках живот н ы х , то здесь самы й мощн ы й рывок сделала иммунологи я . Удалось вы яснить строе н и е и функции защит н ых белков жи вого орга н и зма - и м муноглобул и нов, познать при роду тканевой несовмести мости, деталь но и зучить л и м фоциты и важней шие регул яторы защитной с истемы . Наибол ьш и й же резонанс в п рак тике вы звало полу чение метода м и клеточной тех нологии особы х клеток - гибридом, производящи х так назы ваем ые моноклональн ые, то есть узко ориентирова н н ы е про тив определ е н н ы х враждебных орга н изму болезнетворных а н т и генов, антитела. Надо л и говор ить, что це ленаправлен ное, основан ное на точ н ом з н ан и и ус илен ие защитной мо щи орган изма расте н и й , животн ых и , конечно, человека - гл авное в обеспечен и и здоровь я . М ы зн аем , как фун кцион ируют глав н ы е со став л я ющие иммунной с истемы разл и ч н ы е виды л имфоцитов, как он и взаимодействуют между собо й, умеем создать дл я орган изма некие искусствен н ы е с истемы защиты, ко торые будут п омогать естественным в случаях, когда иммун итет резко пон ижен . Словом, биологи я, б иохи м и я и меди цина, по существу, полу ч и л и в руки безотказное и безош и бочное средство защиты, тоже естествен ное, орган и ч ное дл я жи вых существ . 50
С Т У П Е Н И П ОЗ Н А Н ИЯ ЖИ ВО Г О - Следовательно, нет сомнений, что учение о жизни вступ ило в но вый этап - этап прямоrо перехода на практические рельсы. Судя по Ваwим словам, реализуемые п р и н цип иально новые методы с точки зрения экономической эффективно сти успеwно конкурируют уже со мноrими традицион ными п роизвод ствами, а иноr да и значительно пре восходят их. Вероятно, этим и объ ясняется столь явная заинтересо ванн ость промыwленных круrов ! - Разумеетс я . И самым непо средственным образом отражаетс я на отношен и ях науки с п ром ы шлен н остью, в том ч исле и н а контак тах с частным и зарубежн ыми ф и р мами, особен н о п р и в ыборе разл и ч ных в идов п ракт и ч еских разрабо ток. Вот то новое, что происходит сей час в б и ох и м и и . Кон кретное подтвержден и е - качествен н о и н ы е взаи м оотноше н и я хотя бы с . за рубежн ыми фи рмами . Нескол ь ко п редставителей круп н ы х фирм я в и л ись в И нстнтут биоорган и ческой х и м и и и повел и со мной разговор о совместных научных исследован и я х . О н и п рекрас н о з н а л и , ч т о у н ас есть оilределенн ые, весьма п ер спект и в н ые фундаментал ь н ы е раз работки, он и с н и м и ознаком ились. И, оцен ивая взаимные возможн ос т и , п редл ожил и н ам в недрен и е со ветских технол о г и й н а всем евро пейском рын ке. Мы трезво обсуди л и от крывающиес я п ерспект и в ы , п оскольку ясн о : в п одобной коопе раци и можно дост и ч ь наибол ьшего эффекта. Кстати , здесь надо у ч иты вать и конкуре н ци ю, существующую в за падном м ире, поскольку и нтерес фирм к реали заци и достиже н и й нау ки о живо м возрос разитель н о. В ра ботах п р и н и мают теперь участи е не сколько сот разл и ч н ы х объединени й, и европейские фирмы стараются , как говор ится , найти свое л и цо, за воевать определен н ы е пози ци и в острой конкурентной борьбе с аме ри кански м и п редставител я м и . Фи р- мы С Ш А пытал ись в области биотех нологии установить н е к и й чуть л и не д и ктат : мол, мы первые все от кры ли и наше преимущест во неоспори мо. Конечно, это неправомочно, да и по существу неверно. Но чтобы н е п окупать дорогостоящие патенты, уйти от зависимости , сол идно за явить о себе, необходимо иметь очень серьезную фундаментал ь н у ю разработку той и л и и н о й актуал ь ной проблемы. А сегод н я в Европе н аиболее, п ожал у й , благопол у ч н ое пол ожение с фундаментал ь н ы м и исследован и ям и все-таки в Совет ском С оюзе, и это не тол ько наше мнение, а всем и р н ое признание. Так что и нтерес деловых кругов европейских стран к советской н ау ке не случаен . С одной сторон ы , почт и каждая крупная лаборатор и я в Европе, зан имающаяся б и ох и м и е й и биотех нологи ей, и л и н а ш л а ил и и щет контакты с ф и рмами, а с дру гой - все хорош ие л аборатор и и как бы уже е< разобраны» определ е н н ы м и ф ирмам и . п ол ожение. - Знаменательное С видетельство, что в мире, безу словно, уже на наwих rлазах рож дается крупнейwая и ответствен нейwая отрасль промы wлен ности с перспективами. неоrран иченными Правильно л и будет образно на звать этот п роцесс вторичным воз вратом человечества к п рироде! Возвратом к творениям живой ма терии, осн ованн ом на точ н ом и rлу боком знан ии! - Да, такое определ е н и е вполне п равомо':I НО. И в сложи в шейся с иту аци и становится пон ятно, что имен н о п р и влекло в С оветски й С о юз в идне й ш и х специал истов, в том ч ис ле американск их, и круп н ы е ф и р м ы. Резк и й п одъем уров н я фунда в Советском науки ментал ь н о й Союзе за п оследн и е два дес ятиле т и я - факт, как я уже упом инал, общепризнан н ы й . - Хотелось б ы в этой связи по просить Вас, Юрий .Анатольевич, несколько п одробнее остановиться 51
И нтервью 2 К о гд а с о в етс ким у ч е ным удало с ь о б наружит ь и из у ч ит ь меха низм де й с тв ия в етро чувствитель ных р е цепторо в - ((д атчиков 1J на г оло в е с ар а нчи ( показаны с пра ва в с ил ь но м ув еличении ) , поя в ил а с ь на dежда боро ть ся с э тим пр ино сящим о г р омны й у щер б вредителем б иоло г ическим спо со бом. Саранч .у отучаю т ле тать ! и п о н и м ание того, что п роцессы жизнеде ятел ь н ости - суть п роцес сы х и м и чес кие. П режде всего х и м и ч еские, х от я всег д а в н их при сутствует ф и з и ческ и й компонент. Б иохи м и ческая реакци я об язатель н о вклю чает и физи ческое взаимо действие, но все-таки жизнедея тел ь н ость н аиболее полно выража етс я в х и м и чес к и х преобразовани я х. Они постоя н н о и н епреры в н о идут во всех клетках жи вого органи зма, дес ятки и сот н и тыс я ч реакц и й п р о ход я т каждую секунду в каждой клетке. Поэтому именно б иох и м и я н а иболее пол н о отражает совре - О предел ить коротко важней- . м е н н ые подходы и понимание про цессов жизнеде ятель н ости, и какие ш и е н аправл е н и я и успех и совре бы м одные новые направлен и я ни м енной био х и м и и - задач а весь м а воз н и кал и, а это закономерное трудн ая . Мод но то, что важно и нужно н а дан ной ступени разв и т и я явление в прогрессе науки, о н и всегда и н епре м енно опираютс я н а з н ан и й . Попытаюсь все же ответить глав н ы й фунда м ент. В дан ном слу н а Ваш и вопросы, н е п ретендуя, ко чае - н а биохи м и ю . неч но, на как ие-то абсол ютные точ В совре м енной био х и м и и , в ш и к и зрен и я . · роко м ее пон и м а н и и , я в ыдел ил бы Н еоб х оди м о сразу же реш итель следующие основоп олагающие до но подчеркнуть : основ н ы м событи е м н а ш и х дней явл яетс я открыти е стиже н и я : в первую очередь, чрез- на наибоnее интересных и перспек тивных направпениях фундамен таnьной науки. Тем п ы ее развития стоnь стремитеnьны, что не успева ем усnедить. То, что 3-4 rода на зад казаnось захватывающей дух фантастикой, дерзновенным проры вом, сеrодня становится уже своеrо р ода рутинной акцией, доступной ч уть п и не студентам и п онятной wкоnьн икам. Уместно спросить, что же сч итают сссамым-самым)) сеrо дня, rде сейчас :.пицентр в пости жении тайн живой материи ! Ну, а есnи попросту : что нынче модно в биохимии! 52
С ТУ П Е Н И П ОЗ Н А Н И Я Ж И ВОГ О вычай н о четкое, доход ящее порой до автомат изма оп ределен ие - де ш и фровку структуры живого мате риала, компонентов клет к и . Мы умеем уже гарантированно, с высо кой точ ностью, опираясь н а элект рон но-в ы ч ислительную тех н и ку, де строен ие основ н ы х ш ифровать «строител ьных пес ч и нок» жи вого : белков, нукл еи новых кислот . Без такого доведен н ого до совершен ства умен и я был о бы трудно, есл и не невозможно, судить о том, что в них и с н им и происходит. Это, безусл ов н о, круп н е й ш и е дост иже н и я последних 1 0- 1 2 лет, и ус пехи здесь разител ьные. Когда в Москве в 1 96 1 году п роходил Международ н ы й биохими чес к и й кон гресс, то в самых л у ч ш и х лаборато р и я х оп ре дел ить с гаран тией структуру трех нуклеот идов за нескол ь ко мес я цев было почти немысл имо. Сегод н я рас ш и фровка п оследователь н ост и , скажем, 800- 1 ООО н уклеотидов з а несколько д н е й - это реал ь н ость. Ч исло рас ш ифров а н н ы х белков дав но перевал и л о за тыс ячу, пол ностью в ы яснено п ространствен ное строе н и е бол ее ч ем 1 50 и з н и х . Л и шь в самое п оследнее время в Советском Союзе н а йдена пер в и ч ная структура нескол ь к и х дес ятков бел ков, в том ч исле самого боль шого фермента, н е п осредствен н о ин сч итывающего генет и ч ескую формацию ДНК . Как в ы з н аете, он называетс я ДНК-зав исимой Р Н К-по л и меразой . Расшифровано строе н и е важне й ш и х ферме нтов, у частвую щих в клеточном обмене веществ . Стала вполне реальной задача вы явле н и я структуры всего наслед стве н ного вещества, пока еще, прав да, п росте й ш и х орга н и змов, но не самых простых с точ к и зрен и я био логии. Например, достаточ н о слож ного в и руса, где может быть около 200 тыся ч нуклеотидов. Пол н ы й « х и м и ко-архитектурн ы й п ортрет» таких ви русов уже по я вл яется . - В общем, депо ндет к том у, что ученые сумеют попностыо за- верw нть расw нфровку структуры бопьwнх участков rенома - попноrо набора rенов чеповека, проч нтать, так сказать, ero сс родосповную)) ! - Да. И это н е з а горам и . Тогда мы будем з н ать, как н адо правиль н о подходить к п роблемам, с в я зан н ы м с наруше н и я м и р аботы наслед ствен ной с истем ы. Таков п р и н ци п иально новый этап в науке о ж и з н и , познан и и жи вого. С н им тес н о связано другое до стиже н и е , которое я , вне сомнен и й , н азвал бы выдающимся. Я и м е ю в в и ду тонкую биох и м и ю генет и ч ес кого аппарата. Не п росто п о н и ма н и е того, как считы ваетс я н аслед ствен н ая и н формаци я, как она хра н итс я , но и п ост ижен ие тон костей п ерестро й к и генети ческого аппара та. Ведь и м е н н о отсюда возн и к л а с т о л ь п родукт и в н а я дл я п ракт и ч е ских целей и м н огообещающая гене ти ческая и нженери я . Отсюда - уме н и е определ ять , выдел ять , а затем и с и нтези ровать ферменты , уп рав л яющие передачей н аследственн ых п р и знаков. Ферменты, которые м ы сегодн я испол ьзуем к а к « рабоч и й и нструмент», как своеобраз н ы е « н ожн и цы » дл я перекр о й к и б и о молекул, в частн ост и , рест р и ктазы, нуклеазы огран и ч е н ного действ и я , расщепл яющие биопол имер точ н о в нужном месте. Отсюда же рожден и е современной ветви б и о тех нолог и и . Укажу еще одн о новей шее н а правлен ие. Я назвал бы его б и о и н женерией белков. С помощью ме тодов генети ческой и н женер и и можно быстро и эффекти в н о заме н и ть в бел ковых молекулах отдель н ы е аминокислотные остат к и н а другие - по своему усмотрен и ю . Замен ять можно и ногда цел ые участки молекул ы, увел и ч и вать ил и укорачивать ее п ол и п ептидную цеп ь . Раньше такой « н аправлен н ы й мутагенез» был п росто н емысл и м . Конечно, это новь1й этап в позна н и и свя з и м ежду структурой и фун кцией ферментов, белков , гормо53
И нт ер в ь ю 2 н о в " . А есл н бы точно знать «акт н в н ы й центр>> такого бел ка ( н а п р н мер, н з дан н ых рен тгеноструктур ного аналнза), то можно п р н цел ь н о в ндон зменять н анболее существен ные гру п п ы , сознател ьно управ л ять конструнрованнем н анболее действен н ого акiн в ного центра н та кнм образом н н огда п ревосход нть п о эффекту вел н колепную умел н цу - жнвую п р н роду. Подобн ы е п р н меры у ж е н з вестны : в н а ш е й стране - с некоторымн рецептор н ы м н белкамн , за рубежом - с от дельн ым н ферментам н . П рнм еры вдохновл я ющн , м н ого обещают с п рактн ческой точ к н зрен н я . Сей час даже создаетс я впечатлен не, что в самых передовых лабораторн ях м н ра центр в н нман н я п ереместнлся с генет н ч еской н нжен е р н н на н н же н е р н ю белковую" . Затем, кол ь скоро речь ндет о фундаментал ь ном, следует об яза мембранолог н ю : назвать тел ь н о нзученне строе н н я н функцнй удн в нтел ь н ы х б н ологнческ н х конструк цнй - мембран . Значенне н х в жнз н н л юбой клеткн вел н ко н м н ого образно. О н н регул нруют ос новн ые в нутрн клеточные п роцессы, нзбн ра тел ь н о «разрешая » н л н « зап рещая» тем нлн нным молекулам вход нть в н утрь н в ыходнть н аружу, участву ют во « в н е ш н н х взанмоотношен н я х » клеток, п омогают узн авать себе п о доб ных, передают разл н ч н у ю н н ф ормацн ю . Мембраны ж е нзменя ют актнвность ферментов в н утрн клеткн, коордн н нруют множество п осто я н н о н дущнх х н м н ческ н х реак ц н й , практн ческн определ яют всю жнзнедеятел ь н ость клетк н . Мембраны всегда п р нвлекал и н п р н влекают прнстал ь ное в н нманне ученых, зан н мающнхся самы м н раз л н ч н ы м н , казалось бы , далеко ото шедш н м н друг от друга направленн я м н бнох н м н н . И прогресс в позна н н н зде.с ь особенно нагл яден . Еслн ранее, какн х-то 3-5 лет назад, мы увлекалнсь в мембраноло г н н нссле дова н н я м н структуры : как построена мембрана, где там л н пнды, белкн , сахара,- словом, какова модель ее, то сейчас это стал о довол ьно ясно н отошло н а второй план. Даже та кой п роцесс, как н о н н ы й транс п орт - перенос сквозь мембран у в н утрь клеткн н нз нее во внеш н ю ю среду н еобход нмых веществ, нмеющнй огромное значенне в ж н з н н клеткн н ее составл яющнх ч астей, так называемых органелл, о нем уже накоплено так мн ого сведен н й , его можно точно н зме р ять, расс ч нтывать, так что эта, со всем недавно казав шаяс я загадоч н о й , п робл ема стала пон ятной, н в н нманне перекл ю ч н л ось н а другой уровень, на другне объекты . Одна н з самых сложн е й ш н х проб лем, стоящнх перед сегод н я ш ней бнохнмией ,- рецепторы. Это свое «датч нк н-регул яторь1 » образные клетк н . В частностн, чрезвычайно важно вы яснен не нх структуры н функцн й . Пожалуй, это самая «го р я ч а я точка» , которую с разных сторон однов ремен н о атакуют бно логн, х нм н к н , ф н з н к н . Рецепторьr всегда локал нзованы в мембран е. С и х помощью коордн н нру ютс я х н м н ч ескне реакцнн в клетке, объ едн н я ютс я в едн н ы й конвейер раз л н ч н ые ферменты, кажды й нз кото рых действует в строгом соглас н н с остал ь н ы м н . В мембранах спецн ал ьных клеток рецепторы «отвеча ют», к п р и меру, за преобразован не сол н е ч н о й энерг н н в зелен ы х расте н н я х, за всасыван не н перевар нва н н е п нщн в стенках к н ш е ч н н ка, в н ервн ых клетках - за генернрова н н е электрн ческ н х нмпул ьсов, в скелетных мы ш цах н м нокарде за сокраще н не н расслаблен н е . Благодар я рецепторам спецна л нзнрова н н ы е мембран ы преобра зуют энергню света н звука в электрн ческне нм пул ьсы , перед а ют централ ь ной нервной с нстеме н нформац н ю о запахах, нзмене н н н температур ы нлн давл е н н я н «Пронсшест подобн ы х тому внях». 54
С ТУПЕ Н И ПО З Н АН И Я Ж И В О Г О В общем , будь то рецепторы гор монов , будь то рецепторы-каналы, провод н и к и соответствующих ве ществ,- без н и х не может быть нор мальной жизнедеятел ь н ости, нор мал ь ного функцио н и рован и я мем бран, клеток и орга н и зма. Это биомолекул ы , как правило, громад ной масс ы . И только сегод н я по настоящему началось и х изучение, п робудился к н и м огром н ы й и нте рес. Их время наступило и ме н н о сейчас, а не ранее, поскол ьку ис следова н и е рецепторов требует не досту п н ы х прежде мастерства и тон кости тех н и к и . В самом деле, как, не трогая, н е губ я мембрану, не разрушая ее, п олуч ить точ ное и кон крет ное п редставле н и е о топо граф и и и структуре рецептора, к ог да толщина мембран ной стен ки н и чтожна - всего 2 -3 молекул ы , а упаковка ее зачастую самая при чудл ивая, пос кол ьку мембрана име ет громадную поверхность. П е ч ен ь крысы весит 6 граммов, а суммар ная площадь ее клеточ н ы х мембран составл яет несколько сотен квад ратн ых метров ! И н а таких огром ных системах м ы должны получить ответ, с разреШен и ем п орядка 2-3 на нометра (милл иардных до лей метра - 1 0- 9 м ) . Н апомн ю : на поверхности л и шь одной клетки п е ч е н и находится, к п р и меру, 250 ты с я ч рецепторов и н сул и н а и 1 1 0 ре цепторов гл и коге н а . " Здесь без но вейшей тех н и к и , созданной ф и з и ка м и , не обойдешьс я . П оскольку рецепторы распола гаются в основ ном на мембранах, т.о еще более важно в ы яс н ить за висимость функций от соотношен и я и топографи и с а м и х мембран . У многих клеток по две и более мембран ы : в н еш н я я и в н утрен н я я . Ч т о между н и м и п роисход и т и как? Это также оди н и з централ ь н ы х «узлов» в н а ш е й науке. Раньше н а м казалось, ч т о между мембран ами, своего рода обол очкам и, н аходитс я п росто жидкость, грубо говоря, вода, что ли, и н и чего активного там не п роисходит, а оказалос ь , что именно здесь, в этом п ространстве, и совер шается глав ная регул я ц и я , чрезв ы ч а й н о важн ая дл я в с е й без искл ю ч ен и я деятел ь н ости ж и вого орга н и зма. Думаю, что мы пережи ваем л и ш ь начал ь н ую стад и ю в раз в и т и и мем бранолог и и . Ведь и з накопл е н н ы х з н ан и й уже родились в п е ч атляющи е направл е н и я , о которы х я говор и л , в ч астности , иммунология, точ н ее, иммунох и м и я . Коль скоро речь идет о познан и и реакци й, п роисхо дящих в основных клетках защит ной с истем ы - л и мфоцитах, то умен и е у п равл ять в какой-то степе н и и х ра ботой, создавать искусствен н ы х со братьев, п родуци рующих оп реде л е н н ы е ант итела или иммун огл обу л и н ы с абсол ютной специ ф и ч н о стью - так называемые гибрид6м ы , все, ч т о стало н ы н е важн е й ш е й от расл ь ю б и отех н ологии,- было бы н емыслимо без точ н ы х д а н н ы х об и м м у н н ы х рецепторах, без ч ет к и х знан и й о тон кой регул я ц и и защит н ы х реакци й . Кстати, изучен и е сис темы регул я ц и и л и мфоцитов, в частности , так их белков, как л им ф о к и н ы , управл яющих в кл етках и органах разл и ч н ы м и в идам и п опу л я ций разн ых л и мфоцитов , хоть и н е н аходится в дан н ы й момент в центре в н иман и я н аучной общест вен ности , поскол ьку не сул ит непо средствен н ых п ракт и чес к и х в ы х о дов, с научной точки зрен и я чрез в ы ча й н о важно, и специалисты п ред в идят весьма заман ч и в ы е перспек тивы в будуще м . А возьмем столь м о д н у ю н ы н е биоэнергетику. В о т уж, как говор и т с я , все с в я зано теснее н екуда с ра ботой мембран и рецепторов , управл яющих ферментами - АТФ азам и , которые взаимодействуют . с АТФ - основным «топл ивом» клет ки, аденозинтрифосфорной к исло той, перерабатывают ее . Между прочим , в СССР академ и ком В. А. Эн гел ьгардтом в п ер в ы е была доказана кл ю чевая рол ь АТФ в ра55
И н тер в ь ю 2 боте мы шцы - исследован и я , при знанные класс и ческ и м и в о всем м ире. Б и оэн ергетика, особен н о мембранная, дости гла весьма за метных успехов, и п ерспект и в ы здесь поист и н е фан таст и ческие. В этой с в я з и я бы особо п одчеркнул важность познан и я механ и змов фо тос и н теза в зелен ых расте н и я х . Это чудесное созда н и е п р и роды, уди в и тел ь н ы й трансформатор сол нечной энерг и и , и его изучение с позиций м и кроб и ол ог и и , генет и к и и ген н о й и н женер и и , энзимолог и и и белко в о й и н женер и и таит огром ные пер спект и в ы , поистине захватывающие как с н ау ч н о й , так и с практ и ч еской точ к и зрен и я . Как будит н аше во ображение п о я в и в ш аяся недавно, рентгеноструктур ному бл агодар я анал изу, карт и н а фотос и нтети чес к и х реакцион н ы х центров ! С оветская ш кола фотос и нтеза имеет в ысочай ший авторитет в м и ре, и нам необ ходимо обес пе ч и вать здесь посто ян н ы й прогресс, опираясь на сам ые п оследн ие достиже н и я ф и з и к и , х и м и и , б и ол ог и и . Ведь задача исполь зован и я сол н е ч н о й энерги и для нужд человечества - это, можно с казать, задач а задач . Вся жизнь н а земле с н е ю с в я з а н а . Сей час из дарово й сол нечной энерги и , 'па дающей н а землю, растен и я ис пользуют д л я образован и я орга н и чес к и х веществ , то есть· фотос и нте за, л и шь О, 1 п роцента. А макси мально возможно п ереработать 30 п роцентов. Для этого н адо всего л и ш ь " . досконал ь н о знать, как п р о х одит фотоси нтез, знат ь тонкую б и о х и м и ю п роцесса : как действуют ф оторецепторы , важн е й ш и е регу л ятор н ы е и управляющие систем ы . Вот актуал ь н е й ш а я п роблема в изу ч е н и и живой матер и и . Н и чего чело вечеству было б ы н е надо, есл и б оно овладело фотос и н тезом. Н а м н о г и е сот н и л е т будущее уже б ы л о бы обеспечено. А м ы пока тол ько-тол ько учимся им управл ять в искусствен н ы х услов и я х " . Ну и , кон ечно, нельзя обой т и в н и манием другую наиважнейшую, а потому « м одную» область - изу чен ие гормонов и сверхгормонов . Особен но - регул яцию в клетках и в целом орган изме н а уровн е гормон ов. Здесь и с а м и гормоны , и биохими ческие механ измы, свя зан ные с акти вацией и и н активаци ей одн ого из ферментов в клеточ ной мембране, называемого аде н и латци клазо й . Этот фермент отвеча ет за с и нтез сравн ител ьно п ростого нуклеотида - аден о з и н м о н офосфа та, близкого по строен и ю к АТФ и с п особного акт и в и з и ровать многие в н утри клеточ н ы е ферменты, за счет чего и п ередаетс я х и м и чес к и й с и г нал как бы п о эстафете от одного посыл ь н ого к другому, ус и л и ваясь н а каждом этапе. В резул ьтате н и чтожное кол и чество горм она воз буждает ч ерез рецепторы и фер менты каскадную эстафету. Мгно венная п ередача, переработка с и г нала - и п одготов ка соот ветствую щих рецепторов к мгновен ному же ответу всего орга н и зма. В ч исле подобн ы х сверхгормонов - гормо п ередаваемые нальные с и гнал ы , нервной с истемой и п родуцируе мые, скажем, г и п оф и зом и л и г и п о таламусом в мозгу . Их назвали ней ропептидам и мозга. Так регу л я ци онная биохим и я п рон икла в с в ятая св ятых высшей нервной деятел ь н о сти, в п л отную подошла к разгадке главных ее секретов . - Хотеnось бы, Юрий А натолье вич, усnыwать Bawe мнение об еще одной из воnнующих мноrих тем п рактическоrо характера, о теме, которая, вероятно, не менее тесно связана с достижениями фундамен таnьной науки п осnедних пет. Я имею в виду иссnедован ие меха н и змов зnокачественных н овообра зований. Об 3том мноrо rоворят и п иwут ..• - Тема, действител ь н о, животре п ещущая, и сдвиги здесь произо ш л и ощут имые. Во всяком случае м ы теперь луч ше, гораздо луч ше, чем прежде, п он имаем, что такое 56
СТУПЕ Н И П О З Н А НИ Я ЖИ ВО Г О
И н терв ь ю 2 рак. Сразу оговорюсь : это вовсе не знач ит, что уже сейчас можно луч ше л е ч ить рак . Речь п ока идет не о с п особе л ечен и я . Главное - ран н я я и с верхран н я я диагностика. С овре м е н н а я томографи я с использован и ем нове й ш и х ф и з и ческих методов п озвол яет диагностировать злокаче ствен ное образов а н и е н а той ста д и и , когда оп ерационное вмеша тельство п оможет ради кал ь н о. То мограф и ю н адо в водить в качестве средства диспансеризаци и . П рог гресс в распознаван и и рака п рои зо ш ел серьез н ы й , и, хотя диагности ческие установки еще очен ь доро гие, п р и н ци п иально и технолог и ч е с ки п роблему можно с ч итать ре ше н н о й . Если ж е п одойти с н а у ч н о й точ к и зре н и я к тому, ч т о такое р а к , п о чему он воз н икает, то здесь два аспекта мне представл яются ос о бен но важн ы м и . П режде всего, вскрыта генети ческая п ри рода рака. Можно уже утверждать, что п р и ро да у рака в и русно-генет и ческая, по скольку в и русы стимулируют п ере рожде н и е кл еток . Эта концепци я работах в была выдви нута Л. А . Зил ьбера п римерно два де с ятка лет н азад в Советском Союзе, и в наш и д н и она оправдывается . Но вообще, есл и н е рассуждать оч е н ь дол го, скажу следующее : в клетках орган изма есть н екоторая н аследствен н а я и н формаци я, кото рая, когда она с ч итывается, дает начал о раковым перерожде н и я м . В бол ь ш и нстве случаев она не с ч и тываетс я , н о всегда п рисутствует. Е стественно, воз н и кает вопрос : за чем же у каждого человека на роду зап исана кака я-то злокачестве н н а я и нформац и я ? Зачем? Вот послед н ие результаты и дал и ответ н е м н ожко ошараш и вающи й , во вся ком случае застав л я ющ и й задумать с я . Оказы вается , что те бел ковые и нформацион н ы е факторы , кото рые с и н тезируются на генах, не п отенциальной тол ько ч реваты угрозой заболеван и я раком . О н и , как в ы яс н ено, в роде бы н еобходи м ы ч еловеку и в н ормал ь н о й жизн и, так как отвечают з·а п роцессы рост а и нормальной дифференци ровки «расп ределен и я обязанностей>� кле ток. С к ажем, н екоторы е он кобелк и («он ко»- опухоль), п о я в и в ш иес я в п оследнее в рем я как п родукты дея тел ь н ости онкогенов, п о . своей структуре оч е н ь напом и н ают нор мальные факторы роста. В чем тут дело? Н е св язан л и процесс перерожден и я с некими и зменен и я м и п араметров н ормал ь н ого роста? Ил и п росто п р и п ере рожде н и и скорость нормал ь н ого процесса резко увел и ч иваетс я, а механ изм остаетс я тем же? Но что то все-так и должно его ведь вклю ч ать, выключать, регу л и ровать ! Вот с е й ч ас ученые и задумал ись. Найде но п р и мерно два с полов и ной де с ятка онкогенов, отвечающих за кон крет н ые формы рака. Ч етко участки оп ределен ные оп исаны ДНК, п олучены соответст вующие бел ки, и х анал и зируют, структуру в ы ясн я ют. А п ервые д а н н ы е-то п о я в и л ись всего л и ш ь в 1 984 году . . . И вот воз н и кла идея - а может, слож н е йшие п роцессы роста и дифференциров к и , о которых мы очень мало п ока з н аем, как-то взаимосв язаны? Зависимы в каких то эшелонах друг от друга? Главное сегод н я, что м ы в ы ш л и на правиль ный путь, употребл я я спортив н ы й терм и н - на ф и н и шную прямую. Это п роизошло в самое п оследнее врем я , когда сконцентрированное п озн а н и е мощн ым тараном удари л о в нужное н аправлен ие. Поэтому ясно, что ответ п р и дет скоро. Труд но мне, кон е ч н о, п редсказывать, когда именно. Но как только будет п ол ностью разгадан механизм воз tt и к н овен и я рака, могу заверить тут же будет найден и эффект ив ный способ лечен и я . Какой? П ока не знаю. Но я убежден - рак ис чезнет на нашей планете, как исчезла оспа, как перестал а быть « Гроз ной цари цей » чума. 58
СТУ П Е Н И П ОЗ Н А Н И Я ЖИ ВО Г О - Что Вы, Юрий днатоnьевич, как в ице-през идент д Н СССР, мо жете сказать о вкnаде советских ученых в упомянутые актуаnьные отрасnи биохимии, о перспективах их развития в СССР! - Некоторые и з работ советских биохимиков, став ш и х класс и ч ески м и , я уже упом ин ал . Это и работы В . А. Э н гельга рдта, А. А. Белозер ского, М. М. Шем я к и н а, А . Е. Браун штейна. За послед н и е годы в нашей стране сдел а н ы очень заметные ш а г и . Есл и лет 20 н азад у н ас и было отставание, то сегод н я его н ет, н а оборот, имеются достиже н и я , кото рые задают тон в важн е й ш и х облас тях современ ной биохим и и . В молекул ярной генетике я от метил бы работы члена-корреспон дента АН СССР Г . П . Георгиева п о генет и ч ескому апп арату эукари отов, в частности, изучение его - структу ры, перестро й к и , открытие так н а зы ваемых моб и л ь н ы х -«блуждаю щих>> генов, став шее само по себе актуальней ш и м направле н и е м . Далее. Заметные успехи достиг нуты сотрудн иками И нститута б ио орган и ческой х и м и и и м . М. М. Ше м я к и н а совместно с членом-коррес пондентом АН СССР Р. Б. Хес и н ы м и другими в в ы яснен и и , к а к считы вается генет и ч еская и н формац и я , в определ е н и и транскр и п ц и и ( п ере л оже н и я , переп иси) ДНК-зависимой РНК-пол имеразы - самого бол ь ш о го фермента и самого важного бел ка, котор ы й был рас ш ифрован в п о следнее врем я . И нтерес н ы работ ы академ ика Д. Г. Кнорре в новос и бирском И нституте биоорга н и ч е ской х и м и и п о так назы ваемым оли гопептидам - реагентам нукл е и н о вых к ислот, сн абжен н ы м « адресом» и с п особ н ы м «узнавать» определен н ы й участок Д Н К . П р и влекают вн имание и новые эксперименты, сдел а н н ы е п од руко водством академ ика А. А . Баева в области генети ческой и н женер и и , ряд оригинальных исследован и й ферментов, получ е н и е гормонов " . 59 П рогресс науки, конечно, ед и н ы й п роцесс, и в СССР б и ох и м и я , гене т и ч еская и н женер и я , другие облас ти раз в и ваются в контакте с между народными исследован и я м и , од нако имеют прочную собственную базу, что весьма обн адежи вает. Многое удалось п ост и ч ь в позна н и и ж и з н и клетки, в п ередаче н а следственной и нформации н а уров н е клет к и . По с и нтезу белков на р ибосомах ос новополагающие ра боты б ы л и сдел аны академиком А . С . С п и р и н ым , удостое н н ы м П о четной медал и и м е н и Кребса. От крытые и м частицы - специал ь н ы е и нформосомы ( ком плексы Р Н К с белком) п р и ве л и к ориги нальной концеп ц и и структуры транспортн ы х РНК, переносящих аминок ислот ы п р и с и н тезе белков. Я бы отмети л в ч исле наиболее важн ых и исследован и я п о мем бран ным бел кам, о которых уже упом и н а л . Пожалуй , в СССР в ы пол нены сам ые п ередовы е и кап италь н ы е работы п о изучен и ю структуры и функций мембран н ы х белков разл и ч н ы х АТФ-аз. А в этом, п о сути дела, вся мем бран н а я энергет и ка, все особен но сти п реобразован и я «топ л и в а » , не обходимого дл я клето ч н о й ж и з н е деятел ь н ост и . Здесь л и д ирует меж ф акультетская лаборатори я Мос ковского у н и верс итета, руководи мая членом-корреспондентом АН СССР В . П . С кулачев ы м . Не менее в ысокое п р и з н а н и е п о л у ч и л и фундаментал ь н ы е иссл едо• ван и я в И н ституте б и оорга н и ческой х и м и и им . М . М . Шем я к и н а п о ро допси н у и бактери ородопс и н у н аиболее и з я щной и удив ител ь н о й , п реобразующей свет мембра н н о й с истеме. О н а полностью расш и ф ро вана и даже относ ительно в ы яс н е н ы п р и н ц и п ы ее работ ы . Наконец, я особо отметил б ы исследова н и я кальциевых каналов, в ч астности , в нервных клетках, п ро веден ные академиком П. Г. Костю ком в Институте ф и зиологи и и м .
И н терв ь ю 2 А н т и г е н ы в в одятся здо р о в о й мыши А Мышь В со з л о качес т ве н н о й о пу хо л ь ю . Селезенка мыш и А п р о и зводит Нлетки з л о к а ч ес т в е н н ой оп у х о л и м ы ш и в антитела Антитела мыши А и р а к о в ы е клетки м ы ш и В соеди н я ются в лаборатор н ы х усло.в и я х в так н а з ы в а е м ы е г и б р и домы Н л о н и р у ю т с я антитела О н и , в с в о ю о ч е р едь , в н о в ь п р о изводят а н т и тела п р о т и в с п е ц и ф и ч е с к их ан т и г е н о в Теп ер ь стало водможпо у креплять пр иродпую дащиrу оргаnидма - иммупитет. 11Во йц ы11 им м у пп ой сис темы - а птитела - пауч ились соt1 ершепств овать , со з давая г ибр ид6мы ( соед ипе пие аптитела с боль по й кле тко й) , точпо пацеле ппые па строго опр еделеппого врага - а птиг е п. Ги бр и домы кло пир уют (тиражиру ю т) и приме пяют во мп огих обла стях ме д иципы . 60
СТ У П Е Н И П ОЗ Н АН И Я ЖИ ВОГ О А . А . Богомол ь ца АН УССР в К иеве. Это, образно говор я, ключ, молеку л я р н ы й кл юч к пон иман и ю самых таи нствен ных и волнующих свойств мозга - памяти, механ изма эмоц и й . Ну и , конечно, обн адеживающие успехи в создан и и искусствен н ы х вакцин н а ос нове с и нтез иров а н н ы х п ол и меров, чем зан имаютс я акаде мик Р . В . Петров и чл ен-корреспон дент АН СССР В . А . Кабанов. В общем, самое, на мой взгляд, существен ное, что я н е и с п ыты ваю н и каких затруднен и й в п ереч исле н и и · и дал ь н е й шем п родолжен и и этого достой ного переч н я " . Тем п ы разв ити я советской б и ох и м и и высо к и . Зарубежн ы е учен ы е с ч итают да же, что они самые в ысок ие в мире. Сам я лично оцен иваю н а ш и дости жен и я н е п о темпам, хот я они и важн ы й показател ь . Куда важнее уровень. Так вот п о уров н ю цел ы й комплекс работ советских учен ых н и чем н е уступает м и ровому, а кое г де заметно превышает его. И тут мы сдавать позици й не соб ираемс я . Будем разв ивать перспект ивные н а п равлен и я еще более интенсивно, рас ш и р ять « географ и ю )) п ередовых биохими ческих исследован и й , по стараемся все научные коллект и в ы стра н ы п одт януть до уров н я л иде роь. Дл я этого у н ас есть все усло вия и возможнос т и . Надо работать , работать упорно и насто й ч и в о " . - Bawy мысnь о п роrрессе науки как едином, общем и равноп оnез ном дnя всех процессе познания интересно быnо бы связать с разви тием международноrо сотрудниче ства. Что Вы, как президент ФЕБО, можете сказать о перспективах деятеnьности JТОН орrан изации, о сnоживwихся и н овых формах вза имоденствин и в заимосвязи между учеными-биохим иками! - Убежден , что сотрудн и ч ество биох и м и ков всего Европейского контин ента сегод н я искл ю ч ител ь н о важно, поскол ьку в с а м ы е п осл ед н и е годы не по н ашей в и н е контак ты Советского Союза и других с о- циал ист ическ и х стран с американ с к и м и биох и м и ками был и несколь ко ослаблен ы , о чем, н адо п р и знатьс я , м ы сожал еем . Думаю, ученые не должн ы м и р иться с н а рушен ием нормал ь н ы х св язей меж ду б и о х и м и ками м и ра. Н адо н ахо дить пути дл я стол ь н еобходимой и важной совместной работы. М ы во врем я официал ь н ы х встреч в Москве так ие пути н амечал и и об суждал и . На бл ижа й шее врем я пла н и руем ус илить акт и в н ость сотруд н и ч ества н а Е в ропейском континен те. Состо ял ись и л и н амечены и нте ресные встре ч и в Португал и и , За п адном Берл ине, в Югослав и и , в Итал и и . Будем обязател ь н о п р игла ш ат ь и амер иканск и х коллег. В ы спрос и л и о перспективах очень важной деятел ь н ости Ф Е Б О, о новых ее формах . Европейская федерация биох и м и ков, трад и цион но действующая в оп ределен н ы х рамках , н е огран и ч и вает и других в идов и форм контактов, н е явл яет ся единствен н ым с пособом п ракти ч еской реал и заци и м еждународ н о го сотруд н и чества н а Европейс ком кон т и н енте. Н а мой взгл яд, главное значение ФЕБО в том , что м ы име ем отработанную, традиционную с истему встреч, собран и й , с истему, которая дает возможность обсу дить п роблем ы , договориться о со вершен но конкретн ых планах и ак ц и я х . Но есть и другие пути . На п р и мер, в п оследнее врем я именно н а Европейском континенте у нас заметно улуч ш ил ис ь контакты п о л и н и и ЮНЕСКО, да и ЮНЕСКО со своей сторон ы как б ы нашла свое истин ное л и цо, заявила о себ е . У н ас сейчас успеш н о п роход ят ч етыре п рограммы под эгидой ЮНЕСКО : мембранол о г и я , бел к и , нуклеиновые к ислоты, иммуноло г и я . В н и х акт и в н о участвуют Венг р и я, Советс к и й Союз, Ч ехослова к и я , ФРГ и даже США, хотя н ы неш няя адм и н истраци я этой стран ы вы шла и з ЮНЕС К О . Прекрас н ы е п л о д ы дает и д ву61
И н тер в ь ю 2 сторон нее сотрудн и ч ество, что осо бенно нагл ядно п одтвердилос ь н а XV I конфере н ц и и ФЕБО в Москве. Наш и совместн ы е с Итал и е й , Фран цией, ФРГ, Швецией, Ш в е й царией исследов ан и я были оцене н ы по до стои нству, и сторо н ы стрем ятс я раз в и в ать такого рода деятел ь н ость в обоюдных и нтересах. Я н е говорю уж о совмест н ы х работах с научны ми коллективами социал ист и ч ес к и х стра н . Именно результаты э т и х ра бот - н а ш и совмест н ы е публ ика ц и и , точная согласов ан ность дейст в и й - делают очевидной и п р и вл е кател ьной научную кооперацию дл я других зарубежных у ч е н ы х . П од т в ержде н и е тому - масса предло жен и й о сотруд н и честве от п ред став ител е й Австр и и , Да н и и , Голлан дии. Я уже говорил о переговорах п о и н и циативе п редстав ител ей всех скандинавских стран . П р и чем о н и п редлагают определ ить с советски м и биохим иками некую еди н у ю п рограмму работ, с ч итая, ч т о ус пеш ное ее осущест вление гаранти ровано, тем более что наши госу дарства - бл и з к и е сосед и . Можно в короткое врем я п одъехать друг к другу, обсудить сдел анное ил и п ровести совместн ы й эксперимент. Естественно, основная п р и ч и н а н е стол ько в эти х терр итор иал ь н ы х удобствах, с кол ько в т о м , ч т о уро в е н ь разв и т и я науки у нас сейчас з н а ч ител ь н о в ыше, чем в скандинав с к и х странах . Но м ы с удовольстви ем п р и н имаем п одоб н ы е предло жен и я, так как это поможет акт и в н ому участи ю разл и ч н ых кол л ект и вов, а знач ит, более быстрому и эффект и в н ому п рогрессу дл я обще го блага. - Какие же направлен ия пре имущественно отбираются для та ких совместных исследований ! - В общем-то, те же, на которы х я останавливался и которые в ка кой-то степе н и уже сформирова л ис ь . П росто м ы стараемся н а й т и в н и х новые аспекты , открыть до п ол н ител ь н ы е в озможности в н утри уже слож и в ш и хс я п рограм м . Так, в биотехнолог и и совершен н о ясно, что генетическая и клеточная ин же нер и я - сегод н я уже не п роблема т и ка, а скорее методолог и я . А и з конкретной п роблемат и к и у нас оп редел ил ись так и е аспекты, как изучен ие нервной с истем ы , куда входят исследован и я п роводимос т и некоторых каналов н е р в н ы х клеток, структуры их рецепторов - словом, оп ять вся мембра н н а я темат ика, ко торая п оможет пон ять глуб и н н ы е механ измы высшей н е р в н о й дея тел ь н ост и . Затем - б и оэнергет ика, тоже непосредств е н н о с в язан н а я с мембранам и, ферменты - АТФ азы (и особенно ферментные систе м ы , п реобразующие свет), а также регул я ци я белков , в том ч исле бел ков, ответствен н ы х за зрен и е . О п ять же иммунология, н о здесь нар яду с практ и ческ и м и задачам и - полу ч е н и ем разл и ч н ы х гибр идом, моно клонал ь н ы х ,а нтител искусствен н ы х вакцин - бол ь шой акцент дел аетс я на регул яци ю работы иммун ной с истем ы , то есть на тонкое позна н и е бел ков-регул яторов и в ы зы вае мых и м и эффектов , способ н ы х по в ы шать и л и , н аоборот, пон ижать за щитные с и л ы в соответствующих ф и з иолог и ч ес к и х услов и ях . Ус пешно идет сей час работа п о биологически акт и в н ы м <е КОрот к и м » Наибол ь ш и й белкам - пептидам. и н терес проявл яетс я к т е м и з н и х , которые участвуют в деятель ности мозга. Я уже говорил о н е й ропепти дах, ш и роко вошед ш и х в п рактику. В этой области мы плодотворно со трудн и ч аем с ФРГ, Чехословакией, Франци е й . С е й ч ас все бол ьше и бол ьше стран и зъ я в л я ют жел а н и е как-то в л и т ь с я в п рограммы, под ключ иться к этим разработ кам . Об этом заявил и Югослав и я , Греци я . Наметил ись хорош ие перспективы коопераци и с Исп а н и е й и Португа л ие й . В общем, Европейс к и й ко нтинент, с научной точки зрен и я , живет ак т и в н о, и я с ч итаю, что глаа ная зада62
СТУПЕ Н И ПОЗ Н А Н И Я Ж И В О Г О ча ФЕБО и моя л и ч но, чтобы эта акт и в н ость станов илась все более ш ирокой, чтобы в ее деятел ь н ость вовлекал ись н е тол ько кру п н ы е уче ные, но и молодежь, а урове н ь раз работок стал везде так им в ысок им, чтобы «погоду)) и «моду» в биохи мии определ ял<.J бы Е в ропа. Подоб твор чес к а я вдох н овл я ющая ная атмосфера очень важна. Она дает гаранти ю, что м ы , учен ы е, н е п о звол им втянуть н ас в очередну ю «холодную в о й н у » , св язан ну ю с н и кому н е п о н я т н ы м и « п отусторон н и м и » , п ростите за каламбур, п р и ч и нами, и з вестн ы м и тол ько кое-кому и з американской адм и н истраци и . Нет сом нен и й , наука сегод н я и те, кто ее создают - ученые всего ми ра, могут и должны с ы грать реш аю щую рол ь в судьбах человечества. Именно ученые показывают реал ь н ые, весьма обн адеживающие п ер спект и в ы решен и я острых п роб лем - гол ода, болезней, обес п е ч е н и я энерг ией. То, что нескол ько де с ятков л ет н азад было, так сказать, в колбе исследовател я, уже стало оп редел ять уровень разв и т и я п ро м ы шленности и эконом и к и , уровень жизн и л юдей в ш и роком смысле их благоденствие. И это в л и я н ие, это прон и к новен ие науки в п овсе дневную действител ь н ость м н ого кратно ус илится в ближай ш ие дес я тилети я, в бл ижайшую четверть ве ка . Гол ос учен ых, сохран яющих ве ру в идеалы сотруд н и чест ва, рабо тающих над п робл емам и , отвеча ю щ и м и самым гум а н н ы м устремл е н и я м науки, должен и будет услы шан и п оддержан . 63
ТАЙ НОПИ СЬ ПРИРОДЫ « " .Я снова стал нагревать перга мент, постепенно ус и л и вая огонь, но это не дало м н е н и чего нового. Тогда я решил, что, быть может, мешает грязь, наросшая на перга менте. Я осторожно обм ыл его теп лой водо й . Затем положил его на сковороду, железную повернул в н и з той стороной, где был нарисо ван череп, и поставил сковороду на угол ь я . Через н ескол ько м и н ут, ког- да сковорода накал илась, я вынул п ергамент и с невыразимым вос торгом ув идел, что кое-где на нем поя в и л ись напоми н ав ш и е знаки, цифр ы и рас положе н н ы е в строку " . - Что ж ! - сказал я, возвраща я Леграну пергамент .- Меня это не подв и н уло бы ни на шаг. За все . алмазы Голконды я не возьмусь решать подобную головоломку. - И все же,- сказал Легран,64
Т АЙ Н О П И С Ь П Р И РОД Ы она не столь трудна, как может сперва показатьс я . Эти знаки, ко неч но,- ш и ф р ; и н ы м и словами , он и скрывают словесную запись. К идд, наскол ько м ы можем о нем судить, не сумел бы состав ить ист инно сложную криптограмму. И я с разу решил, что передо мной п р и м итив н ы й шифр, н о п р и том такой, кото р ы й незатейливой фантаз и и моряка должен был п оказаться соверш енно непостижимым ... » Тот, кто л юбит детект и в ы , веро ят но, узнал отрывок из знамен итого рассказа основател я детекти в ного жанра Эдгара П о « Золотой жук » . Тайноп исью и ш ифрами л юд и поль зуются испокон веков дл я сохра нен и я секретов. Но, как правило, дешифровщикам удаетс я с бол ь ш и м и л и м е н ь ш и м трудом р азо братьс я в тайнах самых и зощрен ных криптограм м . Не тол ько раз ведч 11ки всех времен, но и ученые л и н гвисты стал к и ваютс я в своей ра боте с зашифрован н ы м и запис я м и . Б ы л и прочитан ы тексты, нап исан н ы е древнееги п етс к и м и иерогл ифам и, разгадан см ысл кл и н о п и с и шуме ров . П равда, не п росто все это да етс я . До с и х пор остаетс я загадкой знамен итый Фестс к и й диск, н айден ный !i a острове К р ит, иерогл и ф ы острова Пас х и . Но к а к бы т а м н и б ы л о , все, ч т о п р идум ано л юдьми , л юдьми же может быть и раз га дано. Та й н ы п р и роды, ее сокровен н ы й я з ы к став ят перед человеческим умом неизмеримо более сложную задачу. Она, как прав ило, н е под даетс я решител ь н о й атаке, а т р ебу ет кропотл и в ы х усил и й многих уче н ы х , работающих в самых разн ы х областя х наук и . Т а к произошло и с генет и кой . За коны наследствен ност и , разработа н ные австри й с к и м у ч е н ы м Г . М е нде л е м, экспериментировав ш и м с цвет н ым горошком, были сформул и ро ваны е ще в прошлом в е ке, задолго до того как был пон я т глав н ы й ш и ф р н ап ри роды - к о д и н формац и и следствен ност и . Уже нескол ько де с ятилет и й молекула ДНК вдохнов л яет биологов и ф и з и ков, х и м и к о в, математиков. А началось все с п о п ыток оп редел ить, что такое ген . Многие видные б и ологи думал и , ч т о ген явл яетс я бел ком . Н о тогда невозможн о было ни пон ять , н и объ ясн ить , каким образом' ген ы удваиваются п р и делен и и клет к и . Как сохран яетс я и п ередаетс я н а п рот яже н и и дол гих веков т о ч н а я и нформац и я о т о м , что должно в ы йти и з этой клетки - слон и л и ф иал ка, девочка и л и мал ь ч и к , какая у н и х будет форма н оса и губ, цвет волос, чем он и могут заболет ь . Все это оставалось непостижи мым даже к 50- м годам нашего века, когда рас ш ифров ы в ать науч ились уже п росте й ш и е бел к и и узнал и о Д Н К . В 30-40-е годы цари л о убежде н ие, что глав ная молекул а ж и в о й п р ироды - белок. Э т о и ферменты, ответственные за х и м и ческие пре враще н и я , и ос новной строител ь н ы й матери ал клет к и . Да и устройство белков увлекало своим х итроуми напраш и валось ем. Само собой предпол ожение, что и ген ы - бел ки, а знач ит, разгадка тайн ж и з н и к роется в тщател ьном изучен и и строе н и я бел ков . Тем более что Д Н К не явл ялас ь чем-то неожидан ным и новым. Она была открыта в клето ч н ы х ядрах еще в 1 868 году ш вейцарским врачом И . Ф . М и ш е ром. Позднее узнал и, что место ее сосредоточен и я - хромосом ы ядра, то есть что это какой-то ге нет и ч е с к и й материал, играющи й второ степенную структурную р ол ь . П р и чем материал « т у п о й » и «скуч н ы й »- какой-то п ол и м ер и з строго повторяющихся четы рех мономер ных звень е в : аде н и н ового, гуани нового, т и м инового и цитоз и нового. Где уж такому п р и м итиву н ести н а следственную и н ф ормаци ю ! Первый сюрприз преподнесл и ре зул ьтаты оп ытов, получен н ы е в 1 944 году амери канск и м и бактери ологам и в о главе с О . Звер и . Звери 65
О черк 1 1 1 ' Са хар (деэонсирибоэа) Каждое звепо це пе й п у клеипо в ых к и сл о т ( ДНК и Р Н К ) пе о дпо в е ще с тво, как а ми но ки слота в б елк а х, а с о едипепие из тре х молекул р азпо го т ипа : аз о тис тых о спо вапи й ( пир ими дипы и п ур ипы ) , угле в одо в - про с тог о по с тро епиЮ пят иуглеродпо г о сахара ( р и б озы и дезо кс ир и б о зы ) и ф о сфорно й к исл о ты ( фо сфата) . У глев од о б ычп о нахо дит ся по средине . С о дпо й с торо пы к пему пр ис о единя ю тся азо тис т ые о с п о вапия , а с др у2 о й - ф о с ф орная к исло та . м н ого лет и зучал микроорган и з м ы - п н евмокок ки , возбудител и вос п ален и я в легких - п н евмон и и . О н смеш и вал д в а вида п н евмокок ков , од и н и з которых вызы вал за болевание, а другой нет. Болезне п редварител ьно клетки творные п рогревал и и уби в ал и , а п отом до бавл яли к н и м безобидные клетк и . Вел ико было удивл е н ие, когда не которые из живых клеток после контактов с убитыми каки м-то обра зом « н ау ч и л ис ь » вызывать боле з н ь . Таинственн ое « что-то» переход ило от мертв ых к живым и придавало им собственное качество. О . Эвери с сотрудн иками удалось в ы ясн ить п р и роду этого «что-то» . Им оказа лась Д Н К . Ни бел к и , ни другие со ставл яющие клет к и н и какого уч ас т и я в п роцессе переда ч и не п р и н и мал и . Н ы н е работа Э в е р и с ч итаетс я первым в истор и и генет и к и доказа тельством, что веществ о н аследст вен ности и л и гены и есть именно молекула Д Н К . Но в то врем я он не смог осм ыслить п олученное теоре ти чески и изложил л и ш ь набл юдае мые факты . Хот я п редставлен ие, что ген ы явл яются бел кам и , силь н о пошатнулось, п р и верженцы усто явшейся точ к и зрен и я не сдавал ись. Они п ытал ись объ я с н ять , что в обнаруженной в опытах Эвери ДНК н и каких, конечн о же, генов не со держится и содержаться не может, что она п росто сп особна выз вать и зменен и я в генах - мутац и и , нару шен и я в н и х . Однако подобное объ яснение н и как не в язалось с тем , что эти мутац и и стой ко п овто рялись из оп ыта в оп ы т . Обычно так в ы з ы вают мутаге н ы называемые случай ные, ненап равлен н ы е изме нен и я и н ару шен и я н аследствен н ы х п р и з наков. К счасть ю, стран ное об стоятел ьство не ускольз нуло от в н и ман и я генетиков, которые дав н о и тщетно искал и средства нап равлен изменен и я ного наследствен н ы х п р и з н аков. О н и реш и л и , ч т о Д Н К в с е ж е не стол ь у ж «скучная» моле кула и заслуживает серьез ного в н и ман и я . Только через 9 лет, в 1 953 году, н и кому тогда н е и звестные Д . Уот сон и Ф . Крик, н ауч ные сотруд н и к и Кавенди шской лаборатор и н в Кем бридже, где п о совпаде н и ю судьбы 66
ТА Й Н О П И С Ь П Р И РОД Ы В в и де подо б но й спир ал и м о ж н о пример но мо лекул ы . главно й пре дс та в и ть стро е н ие ж и в ого - ДНК . Д в о йная цепь мо лекулы ДНК ра схо дит ся пр и делении клетки, о бразуя дв е до полня ю щ ие друг друга комплеме нтарн ые цепи . знаме н и т ы й Э . Резерфорд от крыл существование атом ного ядра, по р ази л и м и р грандиоз ной сенсацией . Им удалось построить модель ДНК. Уотсон и Крик были одержи м ы идеен пост и ч ь структуру ·име н но ДНК, а н е бел ков. Одн а ко изучать эту «однообразную » к ислоту �ж аза лось гораздо труднее, чем сам ы е сложные бел к и . Громоздкие моле кул ы ДНК отл и чал ись необыча н но н разрушал ись, уязв имостью - он и едва к н им при коснешься, пр итом плохо кристал л и зовались. Даже л у ч и рентгена, имеющие очень ма ленькую дл и н у волн ы , всего стом ил л иардные дол и метра, достаточную, чтобы « П рощупать» рассто я н и е меж ду атомами в молекуле, чего н е мо жет ни в и ди мы й свет, н и радиовол ны, давали расплы в ч атые тума н н ы е радиограммы . Нел ь з я б ы л о и над е ятьс я п остроить по н и м пространст венную модел ь . Однако к тому времен и уже ста л и и зв е стны н е которые важн ы е 67
О черк 1 1 Первая ориг иналь на я «умо зриrель на я11 модель дв ойно й с пирали ДНК , с озда нная Уотсоном и Криком. 68
Т А Й Н О П И С Ь Г) Р И РОД Ы данные, полученные а н гл и йски м и учеными М . Уил ки нсом и Р . Фран кл ином в Королевском колледже в Лондоне. , Имел ись сведе н и я и о х ими ческом строе н и и отдель ны х звеньев - мономеров, той самой, упом и н авшейся ранее, ос новной триады из азот истого ос новани я , углевода и фосфорной к ислоты, и примерное соот ношен ие нуклеоти дов. Эт и сведен и я и легли в ос нову своеобразн ого метода, бол ьше н а пом и н авшего и гру с детс ким кон структором , которы й п р идумал и Д. Уотсон и Ф . К р и к . Из отдел ь н ы х элементов, как и з деталей конст рукт ора, они стал и собирать мо дел ь, максимал ь н о соответствую щую картинке , отображенной рент геноструктур ным анализом. И вот наконец у н и х сложилась стран н а я молекула, с оставл е н н а я из двух пол имерных цепочек : свое образная , скруче н н а я как штопор застежка-мол н и я с п лот но п р иле гающи м и друг к другу перемы ч ка ми. .Каждая и з цепочек выстроена всего и з четы рех разл и ч н ых звень ев - нуклеотидов : звена « А )) (аде н и нового), звен а « Г)) (гуа н и нового), звена « Т)) (ти ми нового) и звена « Ц )) ( цитози н ового). Получалось , что последователь ность этих ч е тырех звеньев в каждой и з цеп е й может быть какой угод н о, полностью про- · извол ь н о й . Но одно правило н еоб ходимо собл юдать н еукосн ител ь н о . Правило это назвал и в п оследств и и п р и н ци пом комплементарности , от лати нского «Ком п л ементум))- « до пол н е н и е)) , Обе цеп и всегда как бы допол н я ют друг друга. В этом-то и кроется главн ы й ключ четы рех ком понентов ш и ф ра п ри роды. Всег да и неизмен но нап ротив А должн о быть Т другой цеп и , а нап ротив Т А. Точно так же Г об язател ь н о тре бует Ц , а Ц всегда визави Г . Открытие п р и н ци п а ком п лемен тарности стало п оист ине магичес ским кл ючом к непостижимой мо лекул ярной криптограмме и одной из вел и ч а й ш и х науч н ых п обед в истор и и ч еловечества. Род илась но в ая наука - молекул я р н а я биоло ги я. Открылись возможности д л я п оя влени я ген н ой и н женери и , б и о технолог и и . Стол ь дол го м у ч и в ш а я всех загадка, как именно удваивает с я ге н , каков меха н и зм его репли каци и - в ос п р о и з в е д е н и я , реша лась и з ящно и безупречно. Стоит развести в стороны две цеп и и на каждой н араст ить, соблюда я п р и н ц и п комплементарност и , п о новой, и из одной молекул ы Д Н К п олуча ются две абсолютно е й иденти ч н ы е . Логи ческая красота модел и Уот сона-Крика сразу же пок о р и л а и убедила бол ь ш и нство учен ы х . Хот я не обошлось без от дел ь н ы х скепт и ческих заявлен и й вроде того, что, мол, н е может така я сложн е й ш ая форма, как жизнь, оказатьс я в сво ей основе столь п росто устроен н о й " . Но, разумеетс я, п ростота в данном случае - это в ысшее вопло щен ие целесообразнос т и . И слож ностей за ней кроетс я немало. Воз н икнув и з моде л и Уотсона Крика, молекул яр н ая б иол оги я раз в и л ась и окрепла с головокружи тельной быстротой, н е п ереставая п оражать м и р своими успехам и . К нашим дн ям уже стал и возмож ны фантаст и чес к и е сверш е н и я такие, как вмеш ател ьство в свойства живой матер и и , н а п равлен н ое и з менен ие н аследственност и . В новой н ауке, как всегда в н а у ч н ом познан и и , каждая завоеван н ая ступень, каждая п р и н ц и п иально новая теор и я, объ яс н я я н е пон ят ное п режде, п орождает и новые загадки, став ит н овые воп рос ы , до того и в гол ову н и кому н е п р и х о- · дившие. Тут модел ь ДНК п об ил а , п ожалу й , в с е рекорд ы . Воп росы возн и кал и оди н за другим и отн ос и л ись к с а м ы м сокров е н н ы м процес сам ж и з н и . Первым из сам ых в аж н ых был во п рос о реце п тах с и нте за - п роизводства белков в клетке. Все-таки именно бел к и явл я ютс я основным'и рабо ч и м и молекулам и . Бел к и - это и ф е рменты, ведаю- 69
О черк 1 1 щие всем и х и м и ческ и м и превраще н и ям и . Бел ки и гормо н ы - сигнал ы д л я начала и л и окон чан и я тех и л и и н ы х реакци й . Бел ки - регул яторы п роцессов и строител ь н ы й матери ал . Белки обес п е ч и вают беспере бойную работу клетки по самовос произведен и ю , в ы пол н е н и е ее осо б ы х функций в сложней шем « Х о з я й стве>> каждого органа и всего орган изма в целом . Даже хромосо м ы тол ько н аполов и н у состоят из ДНК, а напол ов и н у из бел ка. В об щем, существование и работа клет ки определ яетс я комплектом бел ков в н е й . Но в с е бел к и всех ж и в ы х клеток, как в ы уже знаете, в ыстрое н ы из у н и версал ь ного для всего жи вого н а земле н абора - 20 незаменимых аминок ислот. Л юбая мушка отл и ч аетс я от слона лишь п оследова тел ь н остью эт и х самых аминокис л от в белков ых цеп я х . Так что же эту оп редел яет п осл едовател ь н ость? Где и как составл яют ее «рецепт», ее п рограмму? Класси ческая генетика «домолекул ярной эры» давала формал ь н ы й ответ : последовател ь н ость а м и н окислот оп редел яют ген ы . Но к а к ? Об этом н и кто не з н а л и даже не догады вал с я . Тол ь ко моле кул ярной генет ике оказалось по силам разобратьс я в сложн ы х п ро цессах ш и фровки п рограм м ы . Ока зываетс я , аминокислот н ы е п осле дователь н ости всех белков клетки о п редел я ются чередованием звень е в в одной и з двух ком плементарн ы х цепочек Д Н К . Ш и ф р - комбинаци я ч етырех нуклеотидов А, Т , Г н Ц н есть завет н ы й « рецепт>> того, какие и м е н н о н з 20 аминокислот н в каком порядке надо набрать, чтобы полу ч ить тот нлн и но й необход и м ы й белок. Но есл и все так, то клетка долж на и меть еще « п ереводч ика» н л н , н а худой конец, «словар и к » , п ере водящи й текст ДНК, зап исан н ы й всего четырьмя буквам и , н а двадца т нбуквен н ы й текст белков. Собст- венно, в этом закл ючалась идея генет и ч еского кода . . . И в н овь воп рос за воп росом , ги п отезы , п редп ол ожен и я . Где н с по мощью ч его ведетс я п еревод тек стов ДНК н а белков ы й язык? По чему очень дл и н н а я нуклеотидная з а п ись дает в резул ьтате срав н и тел ь н о короткие белков ые цеп и? Может, все дело в строе языка: у ДНК тексты состоят из «предложе н и й » , которые определ я ют «Слова» целого белка? А не явл яются ли эти « п редложе н и я » тем, что сч итала генами класс и ческая генетика? Но как тогда обстоит дело со зн акам и п ре п и нан и я ? Что служит точками или запятыми, отдел яющими п ред л ожен и я друг от друга? Перейдем с л и н гвист и ч еской терм и н ологии н а биохими ческую н в ыраз и м суть дела вкратце. Ученым н адо было в ы я в ить ф и з и ческие и х и м и ческие отл и ч и я самих генов от п ромежут ков между н и м и , определ ить ф изи ко-х и м и ч ес к и й смысл слов аря клет ки. Ответы на осн о в н ые воп росы удал ось получить к концу 60-х го дов . О н и стал и той опорой, на кото рой сегодн я воздв и гают свои потря сающие воображе н и е сооружен и я в с е отрасл и б и о х и м и и и молекуляр ной биолог и и . Х и м и ческое устрой ство ДНК оказалось стол ь же п рос тым н изящн ы м , как н ее архи тект урная модел ь . У частки с п ирал и из двух цепочек н и чем не отл и ча лись друг от друга. Молекула по всей длине состоит нз н е п рерыв н о й последователь ности нуклеоти дов только л и ш ь известных четырех сортов - А, Т, Г н Ц. Роль «точек н запятых» и грают эти же самые бук в ы . Из них составл е н ы « пустые» п оследовател ь ност и между участ кам н-«рецептам и » , оп редел я ющи ми пор ядок распол оже н и я ам и н о к ислот в бел ках. Пон ятие «Ген » при обрел о конкрет н ы й молекул я р н ы й и атом н ы й с м ы с л . Г е н - это ч асть Д НКового «текста» , которая содер жит и н формаци ю об устройстве 70
Т А Й Н О ПИС Ь ПР И Р ОД Ы
Оч е р к 1 1 одного бел ка. П р и чем часть вовсе н е недел имая, как думал и когда-то, а состоящая из сотен н уклеот идов . По-настоящему н едел и м ы м и же, элементар н ы м и ч астицам и ДНК я в л я ются тол ько отдел ь н ые н уклеоти д ы - моном ер н ые з в е н ь я огром ной молекул ы . Стал и ясн ы и секреты генет и ч е ского кода, сущность « перевода» . Оказываетс я , ген создает .б елок в два этапа. На первом, получ и в ш ем название «транскр и п ц и я » (от лат и н с кого <<Транскриптио» - « Переписы ва н и е » . Терм и н взят и з музыки и означает переложен ие, обработку соч и н е н и я , н а п исанного ком п оз ито ром дл я одного и нструмента, на другой и н струмент) , специал ь н ы й фермент узн ает т у п оследовател ь н ость нуклеотидов в п р омежутке между генам и , которую именуют « промотором» , и н а ч и н ает д в и гать с я вдол ь н ужного ему ге на, с н и м а я с н е г о «отпеч атою>- т о ч н у ю коп и ю в в иде молекул ы Р Н К . Р Н К - р ибо нукл е и н овая к ислота - очень похо жа на ДНК и тоже в ыстроена и з . мономер н ы х н уклеотидов чет ырех сортов. Тол ько нуклеотиды А, Г и Ц у Р Н К м е н я ют в своем строе н и и , в самой н ижней правой част и , гидро ксильную груп пу ОН - ион кисло рода с водородом на Н - просто атом водорода. Отсюда и раз н и ца в н азван и ях к ислот : п р иставка «дезо к с и » у ДНК отражает нал и чие гид рокс и л ь н о й груп п ы ОН. Кроме того, у РНК н ет буквы Т - т и м и д и н ового н уклеотида, вместо него там ура цил - У, с нескол ько и н ы м х и м и ч е с к и м в кл ючением, хот я о б а о ч е н ь похожи д р у г н а друга и о б а бывают всегда в паре с А . Но гл авное от л и ч ие РНК от ДНК - од и н о ч н а я , а н е двойная цепочка м олекул ы . Коп и рован ие гена происходит п о тому ж е глав н ому п р и н ци п у допол н ител ьности, что и удвое н и е ДНК. С и нтез - форм и рован ие РНК про исходит н а одной из двух ком п л ементар н ы х друг к другу цепей гена. С п ециал ь н ы й фермент -«пе- реп и с ч и ю> , которы й ведет транс к р и п ц и ю , н ам знаком . Это та самая ДНК-зав исимая Р Н К-пол имераза, которую расш ифровал и в Институте биоорга н и ч еской химии им. М. М . Шем я к и н а . И т а к , на первом этапе РНК-пол имераза с н и м ает с одного из уч астков дл и н н о й моле кул ы ДНК, с гена, РНКовую коп и ю одноцепоч н ы й отпечаток этого гена, где вместо буквы Т стоит У. Это пока еще тол ь ко подготовка к глав ному и решающему дейст в и ю - ко второму этапу, где н а сцене появ л яетс я генет и ч еск и й код. Решаю щее действие назы вал и трансляци ей - п ередачей. Кстат и, этот тер м и н используют не только в рад ио вещан и и и телевиде н и и , но и в работе электронно-в ы ч ислител ь н ы х �аш и н для обозначе н и я перевода с одного я з ы ка программи ров а н и я . на другой, в частности н а машин ный, я з ы к . Как в ы сейчас увидите, некоторая аналог и я с с и н тезом бел ка все же здесь существует. Процесс трансл я ц и и в живой клетке очень сложен, в нем м ного акти в н ы х участ н и ков, и гла в н ы й из н их элемент клетк и --:- рибосома. Р ибосому, «фабр и ку» белка, неко торые называют мол екул ярной вы ч исл ительной машиной клет к и , ко торая п ереводит тексты с нуклео т идного языка ДНК и РНК на ам и н о кислот н ы й я з ы к белков. Эта моле кул ярная «умная» маш и н а работает тол ько по одн о й , узко специал изи рован н о й программе, которая со держит генет и ческ и й код. В ы ясни лось, что код этот триплетны й , то есть одн о й а м и нокислоте строго соответствует последовател ь н ость и з трех н уклеотидов Р Н К . Эту трои цу нуклеот идов назвали кодоном. Р ибосома имеет неотъемлемую часть - свою собственную РНК дл я п оследовател ь ного с ч итыван и я , ко дон за кодоном, с запис и , пере данной с ДНК РНКовой копией, и п ередач и п рограммы н а с и нтез бел ка. Причем сч итывание идет оч ен ь четко : о т начала д о кон ца одной 72
Т А Й Н О П И С Ь П Р И РОД Ы (tА рхитектура 1J цепе й РНК н, е по сто юt па и J.t о же т J.t е н,ять ся в а а в ис И:Лю сти о т усло в и й: теJ.tn ера туры и состава раствора . Перехо д ы о т (т алочкоо бра ап о йJJ ( верхни й cn иJ.to к ) к клу бочково й ( вниз у ) конф и г ура ции ·н и с колько пе наруша ю т б ио. ло г u ч е ску ю а кт ив но сть .
Оч ерк 1 1 зап ис и , п отом следующе й . Как же распозн ает рибосома начала и кон цы? Сколько вообще разновид но стей кодонов? Вспом н ите, что ам и н ок ислот н ы х остатков, «слов», бел ковых «СЛОВ » , всего 20, а «СЛОВ» у Р Н К-н уклеотидов тол ько 4, и о н и в генет и ч еском коде объед и н е н ы по т р и . Л егко подсч итать : 4 3 = 64. По давл я ющее бол ь ш и нство и з 64 ко донов соответствует какой-л ибо определенной ам и н ок ислоте, но е с т ь н ескол ько н и чему не соответ ствующих, «бессмыслен н ы х » три плетов. О н и-то и отмечают кон ец бел ковой цеп и , сл ужат своеобраз н ы м и «зн аками преп и н ан и я » . Когда разгадал и , п равда, не пол ность ю , тол ько в п р и н ци п е , и этот х итры й меха н и зм , оставалось узнать, какие именно кодо н ы соответству ют кон крет н ы м аминокислотным остаткам. Совсем « пуст я ю> . Всего н авсего прочесть параллель н о два текста - ДНКовы й ( и л и Р Н Ков ы й ) текст ге на и аминокислот н ы й со ответствующего этому тексту бел ка. Потом и х с л и ч и т ь . Но на пути стояло серьезное преп ятствие. Если к тому времен и белковый состав ра с ш и ф ров ы в ать, науч и л и с ь уже то последовател ь н ости ДНК и РНК проч итать еще не удавалос ь . Ис пользуем в новь л и н гвисти ческую ан ал оги ю. П р имерно с такой же с и туацией стол кнулись исследовате л и , п ытав ш и еся раз гадать ш умер скую кл и н опись. Она еще была д л я н и х т а й н о й за семь ю замкам и , но надежда на успех все же существо вала. Ведь к тому времени уже ум ели читать ег ипетские иерогли фы. Фараонов и царей Двуреч ь я с в язывали самые разносторон н и е от ношен и я , а з н а ч и т , и имелись раз л И ч н ы е средства обще н и я . Вполне логи ч н ы м казалось искать ключ к нерас ш ифрован ному коду с по мощь ю кода рас ш и фрованного. Н а п равлен н ы й п о иск п р и нес ус пех. Была н а йдена стел а с клиноп исной записью шумеров имен и одного из фараон ов. Подб ирая раз н ы е имена, нашли соответствие клинописи древ неегипетским буквам " . Подобным п р и н ц и п ом дешифров к и воспол ьзовал ись амер и канские ген ет и к и б и о х и м и к и М . Н иренберг и Дж. Маттеи. Клетка знает код, справедл иво с ч и тали о н и , значит, надо ее и сп росить : в вест и в нее и заставить рас п оз н ать искусственно составленную РНК и в ыдать ответ бел ок. Ученые использовал и , разу меетс я , не жи в ы е клет к и , а экстрак ты и з н и х , которые сохра н и л и спо собн ость с и н тези ровать белок на Р Н К , н о не имел и ферментов, рас щеп л я ющих Р Н К . Иначе искусствен н ая РНК была бы тут же «съеде на»- расщеплена и использована н а строение собствен н ы х клето ч н ы х элементов. К экстракту из бакте р и й - к и шечной палочке - добави л и Р Н К , состоящую толь ко И З У. Тем самым системе был задан пер вый воп рос : какой ам и нок ислоте соответствует « Простой» кодон УУУ. Ответ поступил тотчас же : кодон . УУУ прогр амм и рует аминокислоту ф е н илалан и н . Сообще н и е М. .Ни ренберга на Междун ародном био х и м и ческом кон грессе в 1 96 1 году в Москве вызвало сенсаци ю ! Очень скоро подоб н ы й перевод сделали дл я н екоторых других ам и нокислот. Одн ако окон чател ь н о ре ш ить п роблему удалос ь , когда на помощь биохим икам п р и ш л и х и м и к и-си нтет и к и . С н а чала науч ились с и н тези ровать корот к ие фрагмен ты Р Н К с задан ной посл едов ател ь ность ю - двой к и , а потом и трой к и нуклеотидов. Из т а к и х двоек и тро ек п р и содейст в и и ферментов со став л я л и дл и н н ы е цепи - пол и нук леотиды, где он и повтор ялись м н о го раз. Пол и н уклеот иды добав л я л и в клето ч н ы й экстракт и оп редел яли и х соответств ие образуемым бел ко вы м цеп я м . В 1 967 году генет иче с к и й код был полностью расш иф рован и составлена « переводная» таблица соответстви я кодонов опре дел е н н ы м аминокислотам и л и «стоп с и гналам » . За эти исследован и я по 74
Т АЙ Н О ПИ С Ь ПР И Р ОД Ы расш ифровке генетического кода М . Н иренберг совместно с Р. Хол л и и Х . Кораной, б ы л и удостоены Но белевских п рем и й . Самое замечательное - абсол ют ная ун иверсал ьность генет ического кода. Одн и и те же кодоны соответ ствуют тем же белкам у бабочки и акул ы, у кишеч ной палочки и ч е ловека, у растен ий и млекопитаю щих . Такое п оразител ь ное едино образие предполагает и высочай шую степень надежности, устойчи вости в эволюции . Природа п реду смотрела многоступенчатую защи ту своего главн ого секрета. Это в самом деле жизненно необходимо. Ведь каждое существо н а Земле, каждая его клетка, непрерывно производит н а основе общего ун и версального кода свой строго и нди видуал ь н ы й н абор бел ков, которы й может, к а к , например, у человека, достигать милл иона разл ичных ва риаций . Набор белков и обеспечи вает отл и ч ие человека от динозав ра, рыбы от п чел ы, блондина от брюнета, то есть точно сохран яет наследствен ные признаки . Пред ставьте себе, что код внезапно чуть-чуть изменился . Всего один ко дон измен ил одну букву на другую. Это означает, что его смысл стал соответствовать совсем другой ами нокислоте и производимый белок тоже окажется немного другим . Каждый кодон встречается не в одном, а во многих генах. И со всех этих генов начнет с ч итыватьс я не точ на я информаци я, будут синтези роватьс я «порченые» белки с не · прав ильной ами нокислото й . А заме на одной-еди нственной аминокисло ты в одном бел ке способна нару шить его фун кции и при вести не тол ько к гибел и клет к и , н о и в кон це кон цов к гибел и всего орган из ма. Пон ятно, скол ь важно сохран ить код точным и строго неизмен н ы м в ходе эволюци и , р а з он един дл я всего живого. Человеческий разум, проникнув в тайну главного шифра природы, конечно же, постарался испол ьзо вать полученное знание. О бурно разв ивающейся генети ческой инже нерии и новой биотехнологии в ы узнаете «ИЗ первых рук»- о т и з вестного специал иста в этой облас ти академика Александра Алексан дров ича Баева, академика-секрета ря Отделени я биох и м и и , биофизи ки и химии ф и зиологически актив н ы х соединен и й . 75
ИНТЕРВЬЮ ИНТЕРВЬЮ А кадеми к А . БАЕВ « НО Ж Н И ЦЫ » И « ВЫК Р О Й КИ» для Б ИО М О Л Е К УЛ - Б и ох и м и я н а w и х д не й с овсем терм и н 11 rенетическая инжен е р и я )) н е п о х ожа на ту х и м и ю жизни, к о стал торая с уществовала д в а - т р и десяти к и м от б и ол оrической н а у к и л ю д я м , летия мало к т о п р е д с т а в л я е т , что означа н а зад. П остижение наследствен н ос т и , т и ческоrо законов устройства а п п арата хорошо известен даже дале rене ет конкретно столь экзот и ч н ое со с п особствовало ч етан и е понятий и уж тем более - п оразител ь н ым отк р ы т и я м и п р и в е сс как это делаетс я 11 . M o r y я п о п р о л о к р ожде н и ю п р и нци п иально н о сить вой области вич, р азъясн ить, п усть в общих чер кой и н ж е н ер и и, себе б и ол о r и и - r е н е т и ч е с п р и к овывающей п р и с тал ь н ое в н им а н ие. Вас, Александр Александро к тах, в чем ос новы этоrо волнующе Хотя r о в оображен и е научноrо н а п равле- 76
"ножн и цы " и « ВЫ К Р О ЙК И » д л я Б И О МОЛ Е К У Л ния. Как именно ман ипуn ируют с rенами, как перестраивают и ((тасу ют)) их, а rnавное, как удается пере деnать аппарат насnедственности, навязать ему друrую проrрамму! - Терм ин и в самом деле звучит экзот и ч н о : « ге н ы » - еди н и ца на следствен ной зап иси, святая святых жи вого - в сочетан и и со строго « ин жене пон ятием техн и ческим р и я » . Однако сущность м етода от ражена очень точ но. Генетическая и нжен е р и я - сознател ь н ое, нап рав лен ное конструирован и е ( п оэтому « и нженер и я » ) функционал ь н о ак т и в н ы х , то есть способ н ы х работать в н е орга н и зма, генет и ч ес к и х струк тур. Их называют « рекомби нант н ы е Д Н К » . Ну, а п роще говор я, это конструирование, воссоздан ие ис кусств е н н ы х п рограмм наследствен ности . П оэтому н е совсем оправда но употребл е н и е как синонимов двух бытующих н ы н е в литературе «генети ческая и н жене назва н и й р и я » и «генная инженери я » . Ведь смысловое содержа н и е у них н е од инаковое. «Ге н н а я » произносится, конечно, л егче, но п одразумевает только ген, а генети ческая - это в с я н аследственная программа. П оэто м у «генет и ческая», то есть с в я зан ная с генетикой, куда точнее п ере дает суть дела. Правомоч н о вести речь даже о биои нженер и и , п о скольку понятие становится все бо лее ш ироким и относится к белкам и клетке в целом . Генети ч еская и н женер и я , как и нап равлен и я , другие некоторые истор и чески воз н и кла н а стыке н е скол ь к и х б и олог и ч еских наук и ее, безусл овно, м ожно с ч и тать п р я м ы м потомком молекул ярной ге нетик и . А непосредствен н ые ее « родите л и »- х и м и я ферментов и х и м и я нуклеиновых кислот. Формал ь н о й датой появлен и я этого перспектив н ого детища назы вают 1 972 год, когда у ч е н ы м впервые удалось получить гибридные -«сконструи «скомби н и рованные» рова н н ы е » , молекулы с наследствен н о й про- граммой, зал оженной в них в соот ветст в и и с «рецептом » - заранее за думан н ы м планом. Их-то и н азвал и « рекомби нантные Д Н К » . Открылись пути к совершенно новой отрасл и науки - к новой биотехнологи и, к созда н и ю науч н ы х основ для раз работки производствен н ы х п роцес сов, не п росто использующих п р и н ц и п ы и агенты биологических реак ци й , но осознанно направл я ющ и х и модерн и з и рующих и х по заранее намечен ному циклу. Ведь разнообразные б и ох и м и ч ес кие п роцессы с участием м и кро орган измов использовались л ю д ь м и с глубокой древности . Получен ие кисломол о ч н ы х п родуктов, хл ебо п р имеров в и н одел и е . " печение, много. Но до открыт и я м и к роорга н и змов н и кому и в голову не п р и ходило, что действуют там н а бла го человека « крошеч н ы е тружени к и » . Лишь после того как была вы явлена их рол ь , а сами о н и тщатель н о изучен ы , родил ись тех н ич еская б и ох и м и я и м и кроб иологи я , науч н ы е дисци п л и н ы , успе ш н о разви вающиеся в н а ш и дн и и дающие неоцен имо огром н ы й практическ и й в ы ход. Нов ы й стимул к расцвету этих важн ы х науч н ы х нап равл е н и й дала ге нети ческая и клето ч н а я и нженери я , радикал ь н о от них отл и чающаяся . В биои нженери и ис следователь , стараясь получ и ть н уж н ы й п родукт, не довольствуется тем, что предоставила в готовом в иде природа : существующим ми к роорга н и змом, живой клеткой . О н целенаправлен но конструирует, соз дает в л аборатори и , руководству ясь открыты м и законами, генетиче ские структуры. Живая клетка - своеобразн ы й м и н иатюрн ы й х и м и чески й комби нат с и деаль н о отработанной техноло гией. Н и чего л и ш него, н и чего не нужного, все п роцессы четко от регул ированы и и дут в строгом согласи и с тщатель н о в ыверен н о й н аследственной программой, содер жащейся в молекулах ДНК. За в ы77
И н т ер в ь ю З п ол н е н и е « п рои зводственного п л а н а»- с и нтез разл и ч н ы х белков отвечает «центр уп равлен и я » : бл о к и-ген ы , кажд ы й и з которы х «веда ет» в ы работ к о й оп редел е н н о го п родукта, в ы п ол н я ющего свои, за висящие только от него операци и в клетке. Понятно, что, вмешавш ись в со ответствующую генети ческую п ро грамму, в водя в клетку новую гене т и ческую и н формац и ю в форме рекомби н ан т н ы х м олекул ДН К , ис следовател ь может пол у ч ить ор га н и зм, измен е н н ы й по заранее н а мечаемому плану. - Н о идея о воспроизведен ии в nаборатори и rенетичесю"х п роцес сов давно увnекаnа ученых, и умо зритеnьно можно п редставить от деnение rенов от кnетки и пере садку их в кnетки друrих орrаниз мов. Вопрос - как! Ведь это, соrnа с итесь, дnя непосвященных боnьwе п охоже на фантастику, чем на ре аnьную акцию... Что же это за (( н ожницы)), которыми удаnось раз резать такую хрупкую и одновре менно стоnь надежно защищенную моnекуnу ДНК на куски и отдеnить разные выбранные куски друr от друrа! - Возможность извлекать и п е ресаж ивать ген ы - и в самом деле фантаст и ч еское, гран и ч ащее с ч у дом научное достиже н и е . Сверш ить такое удалос ь , как я уже говор и л , благодаря п рогрессу ф и з и ко-х и м и ческой биолог и и , в частнос:: т и ус пе хам х и м и и ферментов и х и м и и нук леиновых кислот. Инструмент дл я ультратон ких операци й дала имен н о б и ох и м и я . Углубле н и е знан и й о работе живой клетки открыло пути дл я л абораторн ого и даже промыш л е н н ого испол ьзован и я содержа щихся в ·не й б и ологи ч�ских катал и заторов - белков-ферменто в . В и х п р и сутств и и х и м и ч еские реакц и и и дут, ч т о называется, идеал ь н о : б е з п одогрева, п р и нормал ь н ы х тем п е ратурах и давл е н и и , с ускорен ием в м и л л иарды раз. Поскол ьку дейст- вие ферментов строго избиратель но ( кажд ы й и з них преобразует од ни строго определе н н ы е соед и н е н и я , п р и чем л и шь в одн ом нужном нап равл е н и и ) , он и станов ятся неза м е н и м ы м и п омощн иками дл я уни кал ь н ы х ман ипуляций с живой ткань ю . После того как науч ил ись в ыдел ять и очищать ферменты, соз дание искусствен н ы х генет и ч еских структур стало тех н н ч ески реал ь н о й задачей. Если углубиться в детал и , то рас цвету своему генетическая и н жене р и я обязана и нтересн ы м фермен там, носящим- назван и е рестриктаз. Их откры л и , как и н огда бы вает, при совсем других исследован и ях, а име н н о : в поисках ответа на воп рос о том, как бакте р и я м удаетс я расправиться с п ро н и к ш е й в клетку чужеродной ДНК. В л аборатор ном эксперименте это может быть ДНК другой бакте р и и , ДНК бактерио фага. Естественно, в оз н икло п редполо жение, что орудием расправ ы дол' жн ы быть особые разрушающие ДНК ферменты, умеющие «узна ваты> и способ н ы е р·а зорвать в оп ределе н н ы х местах не одну, а сразу две комплементар н ые - до пол н я ющие друг друга - н и т и ДНК. Цел енап равл е н н ы й п оиск п р ивел к открыт и ю ферментов, н азван н ы х рестриктазам и, идеаль н ы х , создан ных самой п р и родой и нструментов для генетической и нженер и и . У да лось в ь1 дел ить рестри кт аз ы , узн аю щие в ДНК с феноменал ь н о й точ ностью самые разл и ч н ы е нуклео тид н ы е последователь ности - по рядок «букв кода» и атакующие, разры вающие и х в строго опреде ленном месте. К п р имеру, в И нституте эп иде м иолог и и и м и кроб и ологии и м е н и Н . Ф . Гамалеи А М Н СССР была по лучена первая советская рест р и кта за, которая нашла ш и рокое п р име н е н и е как в наше й стране, так и за рубежом . Поиск ее длился более четырех лет. С отрудн и к и л аборато78
«Н О Ж Н И ЦЫ » И « В Ы К Р О Й К И » ДЛЯ Б И ОМОЛЕ КУЛ р и и ожоговых и нфекци й под руко водством профессора А. Ф . , Мороз став и л и м н ожество оп ытов с раз л и ч н ы м и штаммами м и кроорган и з мов, пока упор н ы е поиски не увен чались успехом. Стар ш и й науч н ы й сотруд н и к Л . И . Глатман и врач М. Б . Яблокова обнаружил и в штам ме к и шечной пал о ч к и рестри ктазу с у н и кал ь н ы м и свойствам и . Ген, контрол ирующи й ее прои зводство, был локализован в плазмиде. Надо был'о в ыдел ить плазмиду. Но оказа лось, что в бактер и я х , обладател ях цен ной рестриктазы, н аходится не одна, а цел ых шесть пл азм ид! При ш лось проявить н емало и зобрета тел ьности и терпен и я , чтобы вы явить именно ту плазм иду, которая синтезировала фермент, назван н ы й сотруд н и ками л аборатор и и EcoRV . Одновреме н н о изучение и анализ рестр и ктазы вел и и исследовател и из Всесоюзного научно-исследова тельского инст итута генет и к и и се лекции пром ы ш л е н н ы х м и к роорга н и змов. П q_сле заверш е н и я первого этапа работы в л аборатор и и удалось п о лучить жел ан н ы й фермент, однако в весьма небол ь ш и х кол и ч ествах . А чтобы как можн о с корее перейти к промышленному производству EcoRV, необходимо было резко увел и ч ить его выход. Поэтому вто рой этап работы провод и л и уже в нашем Институте биох и м и и и ф изиологи и м и кроорга н и змов АН СССР в Пущино. Актив ное участие в нем п р и н имал и многие исследов а тел и , в том ч исле и молодой уче н ы й А . Н . Кравец. Решение задачи удалось найти в срав н и тельн о корот к и й с р ок. П о могл и методы генетической и нже нери и . О казалось, что ген ы , управ л я ющие производством рестри кта зы, локал и зованы ,на неболь ш о й плазмиде , а э т о з н а ч итель н о облег чало их в ыделен и е и «тиражирова н ие» - клон ирование, говоря науч ным язы ком . В общем, ген ы вкл ю ч и л и в другую плазм иду, которая обладала способность ю резко акти в и з и ровать и х работу. В результате были получены качестве н н о новые штаммы м и кроорга н и змов - супер п родуцентов рестри ктазы EcoRV, ч то позвол ило увел и ч и ть ее про изводство более чем в сто раз. Это была уже сол идная основа дл я соз дан и я промы шленной технологи и . П ромы шлен н ы й вы пуск фермента начал и в н ашей стране и за руб ежом. Работа советс к и х ученых защищена авторс к и м и с в и детельства м и , п ро даны л и цен з и и . Хот я пром ы ш л е н н ое производ ство нал ажено, рестр иктаза п родол жает быть п р едметом активн ого изучен и я советских и зарубеж н ы х исследователе й . Эксперименты п о казал и , ч т о E c o R V весьма удоб н а я модель для в ы яснен и я одного из ключевых вопросов современ н о й молекул ярной б и ол о г и и , а и м е н н о - определ ен и я механ и змов бел ково- нукл еин о в ых взаимодейств и й . - Значит, наwли не только « н ожн ицьн>, н о и клей. Что же он собой п редставл яет ! Н еужели фер менты столь ун иверсальны! - П редста вьте, так оно и есть . Еще д о открыти я рестри ктаз был Д НК-ли газа. фермент и звестен В при роде л и газа зал е ч и вает разрыв п р и поврежден и и молекулы ДНК, восстанавл и вая ее п ервоначальное состоян ие. Пока к ДНК н е могл и подступ иться, н а л и газу н е обраща ли особого в н иман и я . Од н ако ее у н и кал ь н ы е способности очень п р и годились, когда воз н и кл а необходи мость надежно соед и н ить в п ред сказуемых точ1:<ах разрезан н ы е кус ки главной молекулы орган изма. Л игазы, как и рестриктазы, стол ь же важн ы й и н струмент, без кото рого перестройка, « перетасовка» генов была бы невозможной . Ведь есл и м ы хотим получить гибр ид ную, реком б и н антну ю молекулу, мало ее разрезать на избран н ы е зап иси. Необход имо, чтобы эти записи соеди н и л ись не как попало, случа й н ы м образом, а составил и 79
И нте рвью 3 П уть от не з на ния к зна нию сегодня ускоряю т и о бле гча ют удив ит ел ь ные пр и б оры и ус тро й с т в а, по зв оля ю щ ие fm о трога т ы1 саму fr искру жизни 11 . М ожет «тасоват ы) и объедин ять ге ны особей , весьма далеко отстоя щих друг от друга на эвол юцион ной лестн ице. М ежвидовой барь ер - неодол имое преп ятствие в природе , глав н ы й стопор в работе селекционеров � дл я генетической и нженерии почти не существует. М агическое благоговение перед «св я зный текст)) - подобранн ую эк спериме нтатором программу. Вот здесь и незамен има л игаза. С нач а л а на выделенную ДНК воздейст вуют соответствующими рестрикта зами , а затем добавл я ют л игазу , и исследов ател ь создает в пробирке , в при нципе , л юбые комбинации . 80
н Н ОЖНИ Ц Ы н И н В Ы К Р О й К И н ДЛЯ Б И О МОЛЕ К УЛ л юдей т яжелей шее расстройство д и абет, ил и сахар ную бол е з н ь . Из л е ч и вать ее еще н е н ауч и л и с ь , п о этому н ужно посто я н н о п оддержи вать определ е н н ы й уров е н ь сахара в орга н и зме и нъекци я м и и нсул и н а . Ежедн евные укол ы н е п р и я т н ы сами п о себе, н о гораздо более н е п р и ятно, что используем ы й в качестве л е карства и нсул и н живот н ы х н е вос п р и н и м аетс я некоторым и л юд ь м и , н е дает желаемого эффекта. П р и ч и на, прояс н и в шаяся н е д а в н о , за к л ю ч ается в некотором отл и ч и и структуры бел ковой молекулы ин сул и н а человеческого орган изма и и н сул и н а жи вотного . Следовател ь но, н адежн ы м л екарством м ожет служить тол ь к о и н сул и н человека. Но где взять его в таких бол ь ш и х кол и ч ествах? С н а ч ала возн икла идея получать и нсул и н с помощью х и м и ч еского с и н теза, т е м более ч т о п ол н ы й а м и н окислот н ы й состав это го бел к а был расш ифрован одн и м и з первых . Молекула е г о н еболь шая, цеп ь состоит всего и з 51 ами нокислотного остатка -«бел ковых слов » , расположе н н ы х в две н и т и , с в я з а н н ы е «мостикам и » . Ко гда клет ка н а ч и нает с и нтез и нсул и н а , то на одном и з первых этапов прои зво дится проинсули н - предшествен н и к, имеющий в молекуле 86 ами нокислот и специальную соед и н и тел ь н у ю цеп ь , которая обеспечи в ает необходи мое пространствен ное расположе н и е - « ар х и те ктуру» обеи х основ н ы х н итей самого и н с у л и н а . Напом н ю , что «архитектура » , в бол ь ш и нстве случаев, оп редел яет актив ность молекул ы . В середи н е 60-х годов с и нтет и че ский инсул и н получ и л и в С Ш А , Ф Р Г и КНР, но стоил он невероятно дорого. · Рентабел ь н ы й и эффект и в н ы й вы ход дала ген етическая и нжен е р и я в сочета н и и с х и м и ческ и м и метода ми с и нтеза отдел ь н ы х звеньев цеп и нуклеиновых к ислот - нуклеотидов, развитых л ауреатом Нобел евской прем и и Г. Кораной и друг и м и уче- геном исчезло. С н и м обраща ются, как с обы ч н ы м биох и м и ческим п ре паратом - ф рагментом Д Н К , выде л е н н ы м л ибо из какого-л ибо орга н и зма, либо с и нтезирова н н ы м в ла боратори и . - Это, пожалуй, уже н а грани человеческого воображен и я ! Не природа, а экспериментатор стано вится творцом существ, порожден ных его сознанием . . . П оистине пе рестанеwь удивляться русалкам и кентаврам из сказок. Неужел и когда-нибудь станет возможно соз дание. . . ну, хотя бы передвигаю щихся деревьев! - Фантазировать н а столь со блазн ител ьную тему можно, разу меется , бесконечно, но, не в оби ду будет сказано, такие фантаз и и весьма далеки о т исти н н о науч но го воображе н и я . Кстати , сказо ч н ы е персонажи кажутс я н ы н е достаточ но п р и м и т и в н ы м и в срав н ен и и с п одл и н н ы м и возможностя м и науки . Если говор ить о перспект ивах, то станов ятс я реал ь н остью куда более полезные, хотя и н еожида н н ы е сочетан и я . Например, соед и н е н и е бактери и с расте н и е м . Надеюсь быть правильно п о н я т ы м . Речь, ра зумеетс я , и дет не о монстрах, не о бактер и я х , размером с дерево . Го воря серьезно, сегод н я в искусстве рекомбинации уже намет ил ис ь пу ти н аправле н н ы х измен е н и й , когда в ходе эксперимента в м икробную клетку вводятся чуждые дл я н ее ген ы , даже ген ы человека. П р и этом можно добиться так и х измене н и й н асл едстве н н о й п рограммы, что чужерод н ы й ген н а в яжет свой тип обмена и клетка н а ч нет произво дить несвойстве н н ы й ей продукт. Так теперь будут в п ромышлен ных масшт абах получать, к п р имеру, человечес к и й инсул и н . И нсул и н важн е й ш и й белок, вырабатыв аем ы й п оджелудочной железой и относя щийся_ к так н азываемым гормонам . Он регул и рует углеводн ы й обм ен, в частност и уровень сахара в кров и . Недостаток гормона вызывает у 81
И н т ер в ь ю 3 н ы м и . Н ы н е в Институте б иоорга н и ч е с к о й х и м и и и м . М . М. Шем я к и н а завершена работа н ад препаратом ч еловеческого и нсул и н а , произ во д и мого с пом ощь ю бактер и й . Ко-. рот к и е, с и нтет и чес к и е фрагменты ге н а с ш ивают вместе л и газой . За тем создан ны й таким образом ген , програм м и рующи й сборку белка и н сул и н а, в месте с участкам и , обес п е ч и вающим и его активность, с о ед и н яют с рекомби нантной ДНК, которую вводят в бактер и ал ь н ы е и л и дрожжевые клетк и . Сочетан ие х и м и ко-ферментат и в ного м етода с ген н о-и нженерной тех н и ко й дает возмож ность п ол у ч и т ь п ер в и ч н ы й п родукт - прои нсул и н , н арабаты ваемый бактери я м и . А и з прои нсу л и н а легко и н едорого п р о и зводить и нсул и н , тем более что именно та к и м путем - ч ерез стад и ю проин сули на, как я у п ом и н ал,- образует ся гормон у человека . Вот од и н и з н агл я д н ы х п р имеров промышлен ного б и отех нологического п р о и з водства . - Как же удается ввести реком бинантную ДНК в бактери и ! Ведь всеrда считаnось, что п р ирода пре дусмотреnа сверхнадежную защиту насnедственной проrраммы. Каким образом ((обманывают11 естествен ную защиту и изменяют ДНК живо rо существа н а ДНК ((из пробирки11 ! - Воп рос закономер н ы й , и сразу подчеркну : п роблема еще дал ека от окон ч ател ь ного решен и я , хотя практ и ч ес к и е результаты в п ечатля ющи и ощут и м ы . К о н е ч н о, одно дел о - создать гибридную м олеку лу в п робирке, и совсем другое сделать так, чтобы она заработал а в кетке, была б и ол о г и чески актив на: могла н ормал ь н о дел итьс я, да еще мен ять н аследствен н ы й а п п а рат своего н о в ого обитал и ща. Соб ствен но, эта п роблема - осн о в н а я в генет и ч еской и н же н ер и и . Н о к счаст ь ю , сама ж е п р ирода п одготовила дл я иссл едователе й за м е ч ател ь н ы й с ю р п р и з в в иде ори г и н ал ь н ы х образован и й , назван н ы х п л азмидами . Я их у п ом и н ал в п р и мере с рестр и ктазой EcoR V . Как ч асто случ аетс я, открытие плазмид амер иканским генет и ком , лауреа том Нобелевской прем и и Дж. Л е дербергом в н а ч ал е 50-х годов н е п р и влекло тогда особого в н и м а н и я . В к и шечной п алоч ке, постоя н ном обн аружил и, человека, спут н и ке кроме основной ДНК, всегда при вязанной к одн о й , «своей» клетке, еще мален ь к и е автоном н ы е ДНК, котор ы м и бактер и а л ь н ы е клет к и охот н о обмен ивались. В ы я с н и л ось, что и у в ы с ш и х орган измов, кроме основной, ядерной ДНК, в цито плазме тоже существуК>т малень к и е ДНК - плазмиды . О плазмидах заговор и л и через несколько лет, п р и чем н е б и ох и м и к и , а мед и к и . Пытаясь установить, почему стол ь эффект и в н ы е при ле чен и и д и зентер и и антибиот и к и не действуют н а н екоторых бол ь н ы х , обн аружи л и , ч т о бактер и и , которы ми заражены л юд и , обладают плаз м идам и , содержащи м и по н есколь ку генов, усто й ч и в ы х к раз н ы м а н т и б и о т и к а м . Затем удалось в ы яснить, что вообще в с е ген ы , устой ч и в ы е к антибиот и кам и так ослож н и в ш и е борьбу с разл и ч н ы м и и н фекци я м и в к л и н иках, всегда рас полагаютс я в плазм идах . А посколь ку эти автоном н ы е ДН К свободно переходят и з одной бактер и и в дру гую, стой кость к тем и л и и н ы м антибиот и кам распростран яется сре ди бактери й с той же быстротой , с какой на н и х воздействуют. На п р и мер, бич хирургических кл и н и к - стаф илококковая и н фекци я оказалась н еистребимой и м ен н о из за плазмид. Естествен н о, их начали детал ь н о изучать . Плазмида вне клетки - это п рос то маленькая молекула ДНК . Внут ри же нее она н а ч и н ает п о ч т и «осмысленно» функци о н и ровать, и с п о л ь з у я часть клето ч н ых ресурсов для своего размноже н и я . П равда, строго огран и че н н о , не разрушая место своего обитан и я - клет ку82
" н ож н и ц ы " и " В Ы К Р О Й К И » д л я Б ИО МО Л Е К УЛ
И н т ер в ь ю 3 хоз я й ку . Кстати , такая особен н ость в корне отл и ч ает плазмнду от в и руса. Есл и в и рус - ал ч н ы й х ищ н ик, у н и чтожающи й клетку, в ко торую проник, то плазмнда, образ н о говоря, напоминает домашнее жи вотное. У бактери и может быть несколь ко, или плазмнда одна а может н не быть вовсе. П ри бла гоприятных внеш н и х услов и я х п р исутств ие ил и отсутствие плаз мнд н е вл и яет на «самочувствие)) клет к и . Но как только услов и я м е н я ются н клетка попадает в о враждебную е й среду (скажем, п е н ицилл и н ом ) , стал к и в ается с плазмнды, слов н о верные собак и , бросаются н а защиту хозяина. О н и н а ч и н ают в ырабатывать специаль ный фермент п е н н ц н л л н н азу, кото ры й разрушает врага, п оз вол я ет бактери и выжить. Союз, п о всей ви д и м ости , взаимов ы год н ы й . " И в от п рокляти е дл я медиков с п особность плазмнд переходить « Н З рук в руки)) , от бактерии к бактер и и ,- оказалась цен н е й ш и м п одарком дл я генет и ч еской и н же н е р и и . Если плазмнды извлечь и з бакте р и и и в вести в н и х чужую ДНК, а затем в н ов ь п р имешать та кие гибридные п л азмнды к бакте р иал ь н ы м клеткам, то ч асть гибри дов обязатель н о окажется жи зне сп особ н о й и будет успеш но размно жаться в бактери ях . С помощью рестриктаз и л и газ получают гибридные структур ы , со держащие фрагменты ДНК и з лю б ы х орга н измов. Затем гибридн ы е п л азмнды размножают в бактер и я х хозяевах, многократно реп родуци руя, повтор я я п ри этом включен ный участок ДНК. Процедура н а зы вается клонированием. Именно клон ирова н и е дает ун икал ь ную в оз м ожность не тол ько м а н и п ул и р о вать генами, н о и ус ил ивать с п особ н ость жив ы х клеток с и нтезировать, н арабатывать новые дл я них в еще ства в бол ь ш и х кол и чествах . Вот основ ной п р и н ци п генети ч еской ин женери и . Своего рода трюк, п од- с казан н ы й п р и родой, которы й ус пешно включила в свой арсенал наука. - Какие работы советских иссле дователей В ы считаете наиболее значимыми для развития этоrо ин тересноrо направления ! - Их немало. Я уже говорил о с и нтезе инсул и н а в Инст итуте б и о орган и ч еской хим и и и м . М. М. Ше м я к и н а . Там же проведе н ы осново п олагающие исследова н и я п о био с интезу человечес кого и нтерферо на. Так называют особое в ещество, которое в ыдел яют клетки живот н ы х , п одверг ш ихся нападе н и ю ви преп ятствует И н терферон руса. размноже н и ю ДН К-в ирусов и при дает н езараже н н ы м клет кам устой чи вость к в и р усной и нфекци и . Де тал ь н ое изучение этого фактора в течение четверти века позвол и л о в ы явить структуру и нтерферонов, и х биологические свойства, способы б иос и н теза и механизм действ и я . Открывалась возможность исполь зова н и я их в лечен и и разл и ч н ы х т яжел ы х забол еван и й . Однако даже д л я к л и н и ческих исп ытан и й , не го воря уже о ш и роком лечебном применен и и , требовалось бол ь шое к ол и ч ество и нтерферона, который м ожно было п ол у ч ить тол ько от ч е л овека. Есл и сказать, что нз каждо го л итра кров и можно выделить всего од и н м и крограмм интерфе рон а, дозу, достаточ ную л и ш ь дл я одной инъекци и , станет ясно, сколь жизненно в ажн ы был и новые источ н и к и цел ител ь н ого в ещества. Од н им из таких источн иков стал и в п оследнее врем я сконструирован ные м етодам и генети ческой и н же н ери и м и кроорган измы, синтези рующи е ч еловеческ и й и нтерферон с в ы сокой эффект ивностью. Замечу, что клон и рован и е его генов - зада ча чрезвычайной сложност и . В сме си и нформаци о н н ы х РНК, кодирую щ и х разл и ч н ы е бел к и , всего около одной десятой п роцента РНК, коди рующи х именно и нтерферон. Тем н е менее гены трех в идов н нтер84
« НО Ж Н И Ц Ы » И « В Ы К Р О Й К И » Д Л Я Б И ОМОЛЕ КУЛ феронов - л е й коцитар н ы х , ф ибро бластных, имму н н ы х - удалось вы дел ить, в н едрить в плазмиды бак терий к и ш е ч н о й пал о ч к и и клони ровать, что стало подл и н н ой рево люцией и в фундаментал ь н ы х , и в прикладных исследова н и я х . Благо даря достиже н и я м ученых И нсти тута биоорга н и ческой х и м и и и м . М . М . Шемя к и н а и Всесоюзного НИИ генетики М и н истерства меди цинской и м и к робиологи ческой п ро мышле н н ости СССР н ал аже но про изводство и н терферонов на создан ных п родукти в н ы х штаммах бакте рии к и ш е ч н о й пало ч к и . У далось «Вос п и таты> бактери и , способ н ы е си нтезировать сот н и м и крограмм цен не й шего вещества в расч ете н а л и т р раствора с клет кам и . Поскол ьку арсен ал генет и ч еской инженер и и п осто я н н о рас ш и р я етс я, процесс полу ч ен и я и нтерферонов совершенствует с я . С е й ч ас их ген ы клон ирован ы в дрожжи и в кл етки высших м и кроорган измов, облада ющих ядром. Вероятно, имен н о такой с п особ станет в ближайшем будущем наиболее эффект и в н о й ос новой пром ы шл е н н ого производ ства других и нтерферонов ч елове ка. Мало того, в ы я с н е н и е специ ф и ч ных особен н остей разл и ч н ы х в идов интерферо н ов , сопоставлен ие их структурн ы х и фармакол о г и ч ес к и х отл и ч и й откры л и п у т ь к улучшен и ю полезных свойств с п омощью н а правле н н ы х и з ме н ен и й ген ов. Уже создаются гибридные ген ы , кото рые п осле в веде н и я в клетку-хо з я и на будут п рограм м и р овать с и н тез гибр идных и нтерферонов. В И нсти туте б и оорга н и ческой х и м и и полу чены гибриды п од н азван ием аль фа-А , альфа-Д, и аль фа-F со свойст вами, знач итель н о отл и ч ающимися от свойств исходны х и н д и в идуаль ных веществ. Хотя биология интер ф еронов л и шь тол ь к о зарождает ся, и н е все ген ы «опознан ы » и «проч итан ы » , и известно далеко н е все о том, к а к и н терферон ы дейст вуют в клетке, тем н е менее мож- но утверждать, что уже сегод н я есть основа д л я созда н и я совершен н о новых медицинских препаратов, может быть н а иболее совершен н ы х п о своим цел ител ь н ы м свойствам . - Аnександр Аnександрович, Вы точно заметиnи, что перед таким и достижениями бnекнут вопnощен ные в сказках мечты о ч удодейст венных эnиксирах и воnwебных су ществах... Вы рассказаnи об интер феронах, инсуn и не. &ыnо бы инте ресно узнать, как вообще развива ются в С оветском Союзе работы по изучению и синтезу белков - i"ор монов человека - ведь они участ вуют в реrуляции роста и развития всеrо орrанизма, обмена веществ. . . - Это в самом деле актуал ь н е й шее для практических цел ей н а правле н и е . До п оследнего врем е н и н еобход и м ы е мед и ц 1-1 н е горм о н ы в ы дел я л и глав ным образом и з орга нов живот н ы х . Разумеетс я , исполь зовать можно было л и ш ь те, кото рые н е обл адают ярко выражен н о й в идовой специф и ч н остью, то есть оказывают действие тол ь к о л и шь н а орга н и з мы , откуда он и п ол у ч е н ы . К п р имеру, инсул и н п ол у ч а ют от те л ят и с в и н е й , но не дл я всех л юд е й , особен н о детей, он оказываетс я п р и годн ы м . Источ н иком гормона с о строгой специ ф и ч н остью, такого, как, например, гормон роста, слу ж и л и органы умер ш и х л юдей , что, ко нечно, сильно осложн яло его п р и ме н е н и е в мед и ц и н е . Методы генет и ч еской и нженер и и , п рогрессирующие г и гантск и м и тем п ам и , позвол я ют <( Вживляты> ген ы человека в бактер и ал ь н ы е клетки , создавать штаммы - культуры м и к роорган измов ( к и ш е ч н о й и сен н о й п ал о ч к и , дрожжей и д р . ) , с и нтези рующие важн е й ш и е гормо н ы , бел ки кров и , н и чем н е отл и ч ающиес я от человеческ и х . П оэтому очев ид но, что в самом бл ижа й ш ем буду щем в мед и ц и н е прои зойдет п о дл и н н ы й п ереворот . Доступ н ость ф и з иологически акт и в н ы х веществ д л я п одробн ого изучен и я их функ85
И н тер в ь ю 3 Q Е) Ci) ф ф е � ф ф 2 в ф е 4 5 8 дмяю т (3) . от к.t�ето чпо й степки Изо.t�ир о вапп ые пр о тоn.t�асты перепосят в дру го й питате.t� ьпый раствор ( 4) . Опи растут, образу ю т по в ые кд,еточ пые степки и пачипают де.t�иться ( 5) . Пр имерпо через дв е пе д е.t�и кажд ый npoтon.tia cт о бразу е т, разрастаяс ь , к о АЮ чек пеор гапизоваппых к.ti eroк, па аываемы й микрока.t�.t�юсом (6) . М икро - По с.t�едовате.t�ь по сть в·осстапо в.t�е пия це.t�о го растепия картофе.t�я из npoтo n.tiacтa к.t�е тки д,истика. Берут копце вые д,исто чки АЮ.t�0 дого картофе.t�ь пого кус тика (1) . В спе циа.t�ь пом растворе (2) . разруша ют к.t�еточпые с тепки В раствор д обавд,яю т в ещество, застав .t�я ю щ ее протопм сты сжиматься , округ.t�яться, то есть изо.t�ируют их, о т- 86
" н о ж н и ц ы " и « ВЫ К Р О ЙК И » дл я Б И О М ОЛ Е К У Л 3 6 9 каN�ю сы перено сят в дру го й пита тел ь ны й раствор, где они выр астают в каN�юсы нормаль ного размера (7 ) . Затем каN�ю сы на чинают раз дед,ят ь ся по ф унк циям и образуют заро дыше вый (8) . В но вом питатель ном по бег растворе по бег развивается д о нор маль но го растения с корнями , которое высажи вают в по ч ву (9) . ц и й и пр и ме н е н и я в л еч е н и и б о л е з н ей п о зв ол и т в р яде сл учае в и с це л я т ь б о льн ы х б е л кам и чел о в ека, л е ка рс т в ом , т оч н о б ь ю щ им в цел ь , и ес т е с т в е н ны м д л я о р га н и з ма в е ще с т в ом, н е даю щ им н ежел а т ель ны х п об оч н ы х эфф ек т о в . Ре з у ль т а т ы н ауч н ы х и зыс ка н и й и э к сп е р и ме н то в б ыс т р о осв а и в ае т пр ак т и ка . Со зда нны е мет одам и г е н е т и ч ес кой и н же н е р ии и б и ох и м и и н екот о ры е б е л к и , с кажем, п е п тид ны е го р мо ны , пр оходят док л и н ич е с кие и л и к л и н и чес к и е и спы т ан и я, а и нс у л ин уже пр одае тс я в а п т еках . В к ачес т в е пр и мер а мож н о пр и в е с т и п о л уче н и е колл ек т и в ом л а б о р а т о р ии ф у н кцио нальн ой э нз и мо л о ги и И нс т и т у т а мо л еку л я рн о й б и о л оги и А Н СССР с ома т о т р о п и н а го р мо на р ос т а че л о века - в б ак т е р и и к ишеч н о й п ал очки . О с т ан о в л ю сь н ес коль ко п од р об н ее н а эт а п ах раб от ы , п ос кол ь ку в ходе ее на йде н ы и и сп о льз о ваны в е сь м а о р и г и нальны е мод и ф и кац и и . Ч т об ы п о я в и л ась н уж н а я кул ь т у р а б актер ии - ш т амм пр одуце н та го р мо н а, на до прежде вс его с ко нс т р у и р о ва т ь Д НК , ко п и р ую щую сс од и н к од н о м у )) з а п и сь и нф о р мацио н н ой РНК, кот о ра я код и р уе т в к л е т ках че л о в е ка с и н т е з г о р мо н а р о с т а . В с е го р мо ны , как и в с лучае и нс у л и на , с и н т е з и р уют с я в в и де пр едшес т в е н н и ко в - пр егор м он о в . С л едо в а т е льн о, н а п е рв ой с т ад ии с о з даю т код и р у ю щ ую Д НК пр е г о р мо н о в . З а т ем к л о н и р уют - м н о г ок р а т н о ко п и р у ю т и о пр едел я ют с т р ук т у рн ое с о от в е тс т в и е п о л уче н н ого ге на го р мо н у - сспр оч и т ыв аю т т екс т )) , пр а в и льн ос т ь п ос ледо ва тел ьн о с т и з а п и с и н ук л еот и до в . Од н ако н е б удем з аб ыв а т ь , ч т о ссс об р а ю) вс е-т ак и г е н н е с амо г о г о р мо н а, а пр е г о р мо на. И есл и м и к р оорга н и з м н е с оде р ж и т сп ец и ф и чес к и х ф е р ме н т о в , от в ечаю щ и х з а ссс о зр е в а н и е )) г о р мо на , т о к л е т к и б удут с и н т е з и р о ва т ь н е ф и з и ол огичес к и ак т и вны й зр елы й б е л ок - гор мо н , а его пр ед ш ес т в е нн и ка . П оэт ому сл едую щ а я 87
Инт е рвью 3 Запечатлен мо ме нт о тделен ия пр о то пла ст о в о т стен о к клетки лис тка карт о феля . Ра с тущ и й пр о то пл аст у ж е о браз о вал н о в ую кле то чн ую сте нку и на шест о й день пр иступ ил к перв ому с в о ему пр о це с су клет о чно г о деле ния . 88
« НОЖНИЦЫ » н « В Ы К Р ОЙ К И » Д Л Я Б И ОМ ОЛ Е К У Л стад и я состоит в том, чтобы добить ся получе н и я зрелого гормон а. Здесь главенствующая -рол ь п р и надлежит ч исто инженер н ым , кон структорским методам : н еобходи мо удал ить, « вырезать» л и ш н юю часть ДНК, п р и этом сократить и л и , наоборот, ввест и другую, с одержа щую с и гнал ы ,- обеспеч и вающие ра боту рекомб и н антных ДНК . Как же все-та1:<и застав и л и ген человека работать в м и кроорган из ме, в пол ностью чуждом для н его окружен и и , н е менее эффект и в н о , ч е м в собственной ст и х и и ? У далось найти весьма х итроум н ы й с п особ, став ш и й досту п н ы м благодар я воз рос ш и м возможностям генет и ч е ской и нженер и и . К гену ч еловека « п р и клеил и » регул яторньlе элемен ты к и шечной п ал о ч к и - все н еобхо димое дл я с и нтеза и н ф ормацион ной Р Н К , а затем и бел ка. Челове чес к и й ген передел ал и в действую щий, то есть в дан н ом случае в бактер и ал ь н ы й ген , управ л я ю щ и й прои:э_�()� вом именно гормона роста, н-о с нужной « ч ел овеческой п рограммо й » . А поскольку сей ч ас уже н акоп и л ось м н ого сведен и й о регул яторн ы х «зап исях»- после довател ь н остях, запускающих ген («включающих» его), удалось вы брать н аиболее эффект и в н у ю их комб и н ац и ю . После перенесен и я такой остроум ной конструкц и и в клет ку ми кроорган и зма останется л и шь п олучить кул ьтуру бактер и и , способную с и нтезировать нужн ы й продукт в бол ь ш и х кол и чествах д о многих сотен молекул н а каждую клетку. Есл и задача научн ого исследова н и я - н е п росто демонстрация воз можностей генет и ческой и нжене рии, а реал ьное воспроизводств о гормона - препарата дл я практи ч е ских цел ей, то следующую, н е м е нее важную стад и ю можно с ч итать уже ч исто б иотехнологи ч еской, хотя стол ь же слож н о й . Это - оптим иза ци я услов и й культ и в ирован и я куль туры м и кроорганизма и о ч и стка про- дукта. У нас в стране такого рода работы п роведены у ч е н ы м и а каде м и ческих и нститутов моле кул я р н о й б и о л о г и и и б и оорга н и ческой х и м и и с у ч астием объед и н е н и я «Фермент» М и н истерства мед и ц и н с кой и м и кро пром ы ш л е н ности б и олог и ч еской СССР. В результате создан экспе р и ментал ь н ы й лекарстве н н ы й пре п арат, проводятся е го докл и н и че с к и е испытан и я . Ростовой гормон, состо я щ и й и з 1 9 1 а м и н окислот ы , к а к и интерфе рон ( « альфа», к п р имеру-, содер жит 1 66 ам и нокислот) , относится к срав н ител ь н о бол ь ш и м бел кам . Ч ас то ф и з и ол о г и ч ес к и а кт и в н ы е веще ства, такие, как гормон ы и- н е й ро пептиды, имеют з н а ч ител ь н о мень ш и е размер ы . - И их, наверное, nerчe полу чать методам и rенетической инже нерии! - Как раз н аоборот. Оказалось, что к и шечную палочку трудн о за ставить п ро и зводить в з н а ч и т ел ь н ы х кол ич ествах корот к и е пептиды и з 30-40 амин окислот и л и ж е о ч е н ь бол ь ш и е . По всей в и д и мост и , сл и ш ком м ал е н ь к и е п росто-нап росто расще п л я ются в бактери а л ь н ы х клетках. П р и ш л ос ь у ч е н ы м п рибег н уть к ухищрен и ям , оп ять же под сказан н ы м п р иродой : создать гиб р и д н ые бел к и , у которых одна и з ч астей взята от какого-н ибудь рас пространен ного и хорошо с и нтези рующегося в м и кробной клетке бел ка, а уже к ней, через ам и н о к ислоту-связку, п р исоед и н ить н уж н ы й пептид. В И нституте молекул я р н о й б и о логии также уже осуществлен с и н т е з гена другого важного гормона человека - кал ьцитон ина, гормо н а щитов идной жел езы . Х и м и к и с и н тезируют ген, «Составл я ю т» по частям небол ь ш и м и фрагментам и , затем собирают и «скл еи вают» л и газам и . Кажд ы й ден ь п р и н ос и т н а м вести о выделен и и все новых ген о в , за ответствен н ы х проl'tзводство 89
И н терв ь ю 3 Мано вен и е лt р у к и в осс о з да ется ж ивая пр ир о да . 90
" н о ж н и ц ы " и « В Ы К Р О Й К И » д л я Б И ОМОЛ Е К УЛ белков человека и живот н ы х . Это и ферменты , растворяющие тром бы, и новые гормон ы , и вещества, регул ирующие обмен гормонов. Так создается новая уди в и тел ь н а я тех нологи я , баз ирующаяся на св ятая святых живого - наследств е н н о й и н формации живой клетки " . д ифференцированн ую, и л и , как ее еще называют, каллусную, ткан ь . М е н я я услов и я кул ь т и в и рова н и я , перенося ткань в другую, более сложную среду, удаетс я сообщить клеткам с п особность н е к бес п о р я д о ч н ому, а к орга н и зованному рос ту и в н екоторых случаях заново п олуч ить целое, впол н е жи з н ес п о собное растение, п р и годное д л я п ересадк и в п о ч в у : оно цветет и дает п л оды . Каллус н а я ткань уже и с п ол ь зует с я дл я п ол у че н и я биологически акт и в н ы х веществ, содержащи х с я в женьшене, маке и других цен н ы х расте н и я х . Кул ь т и вирован ие растител ь н ы х клеток п р и м е н яется для получен и я растител ьной б и ом асс ы , дл я раз м н ожен и я земл я н и к и и декоратив н ы х расте н и й . Это не только н о в ы й и н струмент генет и ч еского анал иза, н о и важное допол н е н и е в арсен але п р иемов п ракти ческой селекци и сельс кохо з я йствен н ы х растен и й . Исследова н и я явл я ютс я частью цел евой комп лексной программы « Б и отехноло ги я » . На опыт н ы х плантац и я х И н ст итута бота н и к и А Н Украи н ы и И н ститута ф и з и ол о г и и растен и й А Н С С С Р п одоб н ы е г и б р и д ы картофе л я , табака, в и н оградной лозы уже перестал и быть объектом л и ш ь ла бораторного изучен и я . Первые эк зем п л я р ы так и х растен и й отправле н ы н а оп ытные п ол я . Н е менее обнадежи в ающи рабо-' ты, связанные с введен ием в клет к и растен и й искусствен н ы х ген ов, то есть навязыван и я и м новой и н ф ормаци и . Дости г н ут ы й урове н ь тех н и к и позвол я ет «вжи в ить» ч уже род н ы й ген в одн у-ед и нствен н у ю клетку и вырастить и з н ее целое н ормал ь н ое растение, надел е н н о е задан н ы м и свойства м и . В н а ш е й стране уже п олучено растен и е с искусственно встрое н н ы м ге ном м и кроорга н и зма, п р идающим ем у · усто й ч и вость к ядам . - д есnи заrnянуть в будущее, то какие вы, дnександр дnександ рович, моrnи бы назвать наибоnее яркие мноrообещающие примене ния rенетической инженерии, наря ду с медицинскими, которые те перь самоочевидны ! - Думаю, н адо в первую оче редь упом я н уть п ерестройку на сл едственной программы растен и й , в ч астности новь1е м етоды гибриди заци и . Пока все известные и освоен ные генети ч ес к и е м а н и п ул я ц и и мо гут быть проведены только н а одно клеточ н ы х орган и змах и культурах клето к . Это, собственно, п р и ч и н а усп е ш н ого раз в и т и я генет и ч еской и н женери и м и кроорганизмов, су ществ одн оклето ч н ы х , а все высшие орган измы - растен и я , животные м ногоклето ч н ы . К с ожал е н и ю , у н ас н е т д л я расте н и й и ж и в от н ы х достаточно детал ь н ы х генет и ч ес к и х карт и того разнообразного генет и ч еского ин струментар и я , которы й использует ся в генет и ч еской и нжен е р и и м и к роорган и змов . Тем н е менее ис пользование, например, раст ител ь ных клеток весьма перспект и в н о . Ведь культивирование их сравни тел ь н о несложно, среды, н еобхо димые дл я п итан и я , дешевы, сами клетки неприхотл и в ы . В качестве исходных можно ис пользовать не половые клетки ( га меты), а клетки тела - сом ы расте н и й . Их обрабатывают специал ь н ы м и ферментам и , чтобы удал ить жесткие обол о ч к и . Гол ые клетк и изол и рованные п ротопласты - за ставл я ют сли ваться друг с другом . Изол ирован н а я клетка и л и кусочек ткан и , п омеще н н ы е в п итател ьную среду, размн ожаютс я и дают н е- - Поистине с растениями можно 91
И н т ер в ь ю 3 творить чудеса! Ведь коrда ведут rибридизацию соматических клеток животных, то получают только rиб р идную клетку. Из нее не вырас тишь целоrо теленка или поросенка, а тут фундаментальное различие: из единствен ной, специально за проrраммированной по задумке человека, клетки в ырастает целое дерево с необыкновенными свойст вам и ! - Ну, что касается живот н ы х , то о н и , разумеетс я, л и ше н ы способ ности к реге нераци и цело й особи из одной клетки - есл и это, конеч но, не я й цеклетка. Поэтому экс перимен татор в ы н уж ден дл я получен и я нового орган из м а м а н и п у л ировать н а един и ч н ы х я й цеклетках и в каждом случае п одыск и вать дл я раз в и в ающегося эмбр и о н а приемную мать, что со ставл яет н емалую трудность. И з-за эт и х сложностей п рактическая се лекци я животных л и шена пока воз м ожности использовать в п ол но й мере п р и е м ы клето ч н о й и генети ческой и нжен е р и и и довольствуется уже освое н н ы м и методам и разве ден и я сельскохоз я йстве н н ы х живот н ы х . Так и м и , к п римеру, как дл и тел ь н ое хран е н и е половых клеток и зарод ы ш е й при н и зких темп ера турах, п олуч е н и е нескол ь к и х я й це клеток от одной особ и , исполь зо в а н и е п р и е м н ы х м атерей . Хочу еще р а з особо подчеркнуть, что прогресс генет и ч еской и н же н е р и и в ы с ш и х орган и змов был бы не возможен без усп е ш н ого разв и т и я клето ч н о й биолог и и , молекул я р н о й генет и к и , мол е кул ярной б и ологи и , м и кробиологи и и особе н н о биохи мии. Комплексность и п реемствен н ость я в л я ются н еобход и м ы м и услов и ям и п родвиже н и я в п еред. - Конечно; перспективы впечат ляющие. И х отя исследования по rенетической инженерии растений л и ш ь начинаются, успехи весьма ощутимы. Разработан ы системы кло н ирования ряда важней ших сельско хозяйствен ных культур по схеме : п ротопласт - клеточная культура целое растение. Отлаживается сис тема введения чужеродноrо rене тическоrо материала в протопласты с помощью липосом. - Да. И зучают ДНК плазмид бактер и й , в и русов и собстве н н ы е в нехромосомные ДНК расте н и й д л я использован и я в качестве векто ров - « в недр ител е й » наследствен ной и н формаци и , что поможет соз дав ать сорта высо коурожай н ы е, сто й к и е к забол ева н и я м и неприхот л и в ы е к составу почвы и влажност и и л и сам и себ я удобр яющие. Например, совреме н ное сельское хоз я й ство немысл и м о без достаточ ного обеспеч е н и я растен и й азотом . На производство азотных удобре н и й человечество тратит более п ол утора п роцентов н ал и чной энер гии и н евос п ол н и м ы е запас ы полез н ы х ископаем ы х , таких, как нефть. Испол ь зуютс я же эти удобре н и я , в л у ч ш ем случае, н а 50 процентов. Друг и м и словам и , и з 50 м и л л и онов тон н м ирового производства азот ных удобрен и й 25 факт и ч ес к и раз л агаетс я в поч ве, образуя ядов итые окисл ы , отравл я я п р и р оду . П р и б и олог и ч еской ж е ф и ксаци и азота источ н и ком э н ерги и служит Сол н це, и ф и к с ирован н ы й бактер и ям и азот усва и в ается п ол н ост ь ю . Б е д а в т о м , ч т о человек не уме ет активно управлять этим п роцес сом . П остав щ и к и б и ологи ческого азота н а кул ь т и в ируемых землях 1 клубен ь ковые бактер и и (ризоб и и ) , с и н езеленые в одорос л и . П еред ис следовател я м и стоит ныне задач а : п ост и ч ь генетику клубен ьковых бак тер и й и молекул ярно-генет ические ос новы азотоф иксаци и и с имбиоза. Это п озволит в конце концов соз дать н еобходимые ос новы дл я н а правл е н н ого конструирован и я хо з я йствен н о цен н ы х штаммов р изо б и й методам и генети ческо й и нже н ер и и , а на следующем этапе и новые симбиозы их со злакам и и тех н и ч ес к и м и культурам и , что станет мощн ым рычагом повы ше92
« Н О Ж Н И ЦЫ » И « В Ы К Р О Й К И » ДЛЯ Б И О М ОЛ ЕК УЛ н и я урожа й ности в растен иевод стве. Разум еетс я, было бьi ош ибоч н ы м п олагать, ч т о генетическая и нжене р и я и новая б и отех н ологи я станут пан ацеей от всех бед и п ол н остью заменят традицион н ы е метод ы . Однако н о в ы е молекул Я рно-био ло ги ч ес к и е п одх оды могут п р имен ять ся, как м ы в идим, с огром ной п ол ь зой дл я улуч ш ен и я бел кового с о става, защиты от болез н е й , п редот враще н и я загр я з н е н и й окружающей сред ы . Это то, что очевидно сего д н я . Зач астую труд н о п редсказать, к каким неожида н н ы м и важ н ы м для п ракт и к и резул ьтатам могут п р ивести фундаментал ь н ы е н ауч н ы е исследован и я . - Можно сказать, что перед че nовечеством открывается дороrа к созданию искусственных, но не чуж дых природе орrанизмов. И все же каково Ваше мнение, как ведущеrо в это!4 обnасти ученоrо, чnена Меж дународноrо комитета по rенети ческому экспериментирован ию и просто как чеnовека,- rотово n и чеnовечество к этом у ! Ведь идет работа не с неодуwевnенными сме сями эnементов, а с тонча14w ими компонентами живоrо rенетическо rо кода, с само!4, можно сказать, ((искро14 жизни)) ! - Морал ь н ы е и эт и ч ес к и е п роб лемы н е и збежно встают перед н ау кой, а п еред- молекул ярной генети кой в особе н н ост и . Н о глубокое знание нашей генет и ч еской сущно сти означает и более глубокое с а мопозн а н и е . Умение управл ять ге нам и , конечно, наклад ывает н еко торую допол н ител ь н у ю ответствен ность и содержит какую-то сте п е н ь р и с к а . Н о лучше мы будем в со стоя н и и управлять генам и , ч ем п ро должать м ир иться с тем, что о н и 93 управляю т н ам и . Я убежден , ч т о человечес тво н и когда е щ е т а к , как в наш и дни, не нуждалось в знани ях, которые ему может дать сего д н я ш н я я н аука. Что касаетс я о п асе н и й , то К о м итет п о генет и ч ескому эксперим енти рован и ю при Межд у н ародном с овете н ауч н ы х союзов п осто я н н о з а н и м аетс я оцен кой п редпол агаемы х опас н остей н ауч н ы х разработ ок с у ч етом перспек тив генети ческой и нженер и и , прак т и чески х п р и л ожен и й - дл я у н и ф и каци и п р а в и л и норм безоп асности . Многие странь1 в ы работал и свои правила безопасн ост и п о генет и ч е ской и нженер и и . О н и разл и ч а ютс я л и ш ь в детал я х , н о еди н ы в глав ном, так что н и каких ос нован и й для о п асе н и й дав н о н е остал ось . В С о ветском Союзе все исследов а н и я п о б и о и нженер и и строго регл аменти рован ы в соответст в и и с м еждуна род н ы м и нормами безопас н ости ра бот с рекомб и н ан т н ы м и Д Н К . Вообще же, б и о и нженер и я всего л и ш ь естествен н а я и закономе р н а я ф а з а раз в и т и я молекул я р н о й г е н е т и к и . Н икаких п одтвержд ен и й воз можной опасност и человеку и л и п р и р оде о т ген ной и нженер и и м ы н е знаем . Н аоборот, в нескол ь к и х случаях н а объектах,_ которы е ис п ол ь зуются в эксперим ентах, дока зана безоп асность искусст в е н н о соз дан н ы х генет и ч ес к и х м ол екул . А правила и нормы - всего л и ш ь п р и з ы в к разум н о й осторожн ост и , н еобходимой в л юбых н а у ч н ы х ис следован и я х , да, в п рочем, и в л ю бой деятель н ости . Сдержи вающая осторожн ость и высокая ответствен н ость - цен н ы е и н ужн ы е ч елове ч ес к и е качества, что, н а мой взгл яд, с п раведл иво всегд а : и дл я атом н ого века и дл я грядущего века генет и ч еского . . .
КОММЕНТАРИЙ КОММЕНТАРИЙ МИК Р О ВС Е Л Е НН А Я Р ЯДО М С Н А МИ Н а н а ш и х глазах зарождаетс я не обы ч н ы й м и р - м и р ис кусствен н о созда н н ы х новых ф о р м ж и з н и . К о н е ч н о, не н адо думать, что ученые с п особн ы создавать экзот и ч ес к ие живые существа, и в этом академ ик А . А . Баев абсолютно прав . Фанта з и и , воплоще н н ые в м ифах и сказ ках в образе кентавров, русалок, говор я щ и х человеко-пти ц,- увлека тел ь н ы , но я в н о ненауч н ы . И все же без мечты жить нел ь з я . Скучно как то. Отчего же не п оме чтать , тем более что происходят и в п рав ду не обы ч н ы е и чудесные с обы т и я . Мо станут дет и когда-н ибудь жет, и грать с говор ящим и медвежатам и и зайчатам и, смогут пон имать язык деревьев и цветов, л юд и обретут возможность существовать н а дне океана и л и в космосе, защище н н ы е второй удобной « кожей » и съем94
М И К Р О В С Е Л Е Н Н АЯ Р Я Д ОМ С Н АМ И ным а п п аратом, аналог и ч н ы м лег ким, но п р и с п особл е н н ы м к отсут ств и ю атмосферы и л и другому ее составу. П усть пока это остаетс я красивой сказкой, но кто з н ает . . . М ы ведь п р и в ы к л и к чудесам, даруемым наукой, и разве н е чудо, что бл аго даря н ауке в п редстоящие годы и десятилет и я ожидаетс я все бол ь ш е продуктов п итан и я , цен н ы х расте н и й, медикаментов, пром ы ш л е н н ы х товаров, созда н н ы х в л аборатор и я х генетической и нженер и и . . . Тех н и ка рекомби н а н т н ы х , гибр ид ных ДНК из в ысоч айшего н аучного искусства п остеп е н н о п р евращаетс я в обы ч н у ю л абораторн у ю п р оцеду ру. С помощью . ферментов точ н о направл е н н ого дейст в и я исследова тел и « в ыреза ют·» от дел ь н ые ген ы из бол ь ш о й массы ДНК, пересажи вают их в микроор ган и з м ы , а затем разм ножают коп и и - кл о н и руют эт и существа с новой п рограммой в бол ь ш и х емкостях в огром н ы х кол и ч ествах, с п ол ь зой отб ирают производимую ими п родук ц и ю . Предположим, что дл я дел ен и я бактер и и требуетс я 1 О и л и 2 0 м и нут. Нетруд н о п одсч итат ь, что за 24 часа п о я в ятс я м ил л и арды н е в и д и м о к , способ н ы х производ ить п о лезные вещества. Так что дл я ч ело века п оследств и я п р и н аступ л е н и и «века генет и к и » окажутс я куда бо лее существен н ы м и , чем есл и бы удал ось засел ить озера и л еса н им фами и русал к ам и . Перенос естест в е н н ы х генов событие в п еч атл яющее . А ученые уже изучают возможность их ис кусствен н о го и з готовлен и я и з основ ных «букв» - н у клеотидо в . Созданы и существуют « ге н н ы е ма ш и н ы » , настоль к о совершен н ые, ч т о почти кажды й может без особых усил и й научиться соби рать фрагменты ге нов буквал ь н о за несколько ч асов .. Пару лет назад на это п отребовалось бы много меся цев ювел и р н о й рабо ты х и м и ка высочайшей квал и ф и каци и . С пециалисты н а ч ал и составлен и е « Карты» генов. О н и устанавливают л окал изаци ю - точ н ое м есто с п е ци ф и ч ес к и х ге н ов на специ ф и ч ес ких хромосомах , чтобы умет ь заме щать отсутствующие и л и ош ибоч н ы е ген ы дл я лечен и я забол е ва н и й , исправл ять ошибки п р и роды . . . Нетрудно п он ять, ч т о все ман и п у л яц и и с а п п аратом н аследст в е н н ос т и ведутся, естест в е н н о, н а п ростей ших орган измах. Фаги, в ирусы, бак тер и и , м и кробы - верные п омощ н и к и и удоб н ы й матер и ал в н ауч н ы х изыскан и я х . Геном, ил и п ол н ы й набор генети ч ес к и х « и нструкци й » , ш ифр ж и з н и одной и з бактер и й - к и ш е ч н о й па лочки, именуемо й Ешер и х и я Кол и , с е е ед инстве н ной хромосомой, остаетс я любимым объектом иссле дователей раз н ы х стран . Вы уже убедились, что в науке всегда чем больше получают отве тов, тем больше возн и кает новых вопросов. И ге нет и ческие « карты» есть и «бан к и » , а далеко не все еще ясно и с генам и , и с хромо сомам и , и с кодом, п о которому производ ятс я бел к и . П о ходу дел а вам п р идется стал к и ваться все с но выми сюрпри зами и загадкам и , ко торые преподнос и т живая м атер и я , а пока поговор им п одробнее о б из вест н ы х сегод н я и акт и в н о и с п ол ь зуем ы х в обы ч н о й , вернее, ста в ш е й уже обы ч н о й , в отл и ч и е от новой би отех н олог и и , тех н и ческой м и к ро б и ологи и , о тружен и ках- н е в и д им ках, о м и кроорган измах. Позн ако м имся п оближе с уд и в ител ь н ым и древ н е й ш и м н а земле царством жи вущих р ядом с н а м и существ. П ого вор и м о « п актах сотрудн и ч ества» , закл ю ч е н н ы х с эт и м царством, о его неогран и ч е н н ых и н еожида н н ы х возможн ост я х . Таинствен н ы й , незр и м ы й мир окружает н ас повсюду. Бактер и и , в и русы, л у ч истые и п л ес н е в ы е гриб ки, другие м и кроорга н и з м ы бук вал ь н о запол н яют почву, в оду, все сущее и даже ж и в ы е орган и з м ы . Б е з полез н ы х бакте р и й н е может 95
К оммен т а р и й З 96
М И К РО ВС Е Л Е Н Н А Я Р Я Д О М С Н АМ И Др е в пе й шие п.л асты зем.л, и д опес.л и д о па с о каме пе в шие о т п е ча тк и сле д о в жизпи. функцион и ровать к и ш е ч н и к, а з н а ч ит, норма.п ь н о усваиваться и п ере рабатываться п и ща . Без м икроорга н и змов почва мертва, на н е й н и ч его не произрастает, и чем их бол ь ше, тем земл я плодороднее. Ваша рука, которой в ы держите кн игу, густо заселена мел ьчай ш и м и акти в н ым и существам и . Их м и л л и о н ы н а к аж дом квадратном сантиметре. О н и п овсюду .:___ в глуб и н а х океана, в кратерах вулканов, в гор я ч и х источ н и ках и даже в атом н ы х реакторах. П р испособл яемость их поразитель97 н а и п рактически н е з н ает огра н и чен и й . Достаточ н о . вспом н ить со прот и вл е н и е антибиоти кам . . . Эти мел ь ч а й ш и е создан и я в бол ь ш и нстве своем одноклеточн ые. Раз мер клетки варьируетс я в п ределах м икрометров - м ил л и о н н ы х доле й метра. Есть среди м и к робов с в о и л и л ипуты, так ие, к а к м икоплазмы, возбудител и л егочн ь1х заболев а н и й круп н ого рогатого с кота. Д и аметр клетк11 у м и копл азм всего О, 1 250, 1 50 1м и крометра. Есть и вел и к а н ы ---'- дрожжевые клет к и , ч е й д и а м етр п р ибл ижаетс я к 4- 1 О- м и кро метрам . Ч тобы н абрать од и н грамм микроско п и чес к и х существ, при шлос ь б ы загруз ить в пробирку до 1 00 м и л л и ардов экзем пл яров стол ь н и чтожно мала и х масса. Н е возможно даже представить, к а к и м и суперастро н о м и ч еск и м и цифра ми оп редел яется ч ислен н ость . всего н асел ен и я м и кробного царства. Ведь общая живая м асса и х , по дан н ы м советского м и кробиолога, л ауреата Государствен н о й прем и и СССР академ и к а Е . Н . М и ш усти н а, доход ит п р имерно до 5-1 О тон н ! И х куда бол ь ш е , чем звезд в о Все л е н н о й . . . Н о сот н и тыс я ч л ет л ю д и и н е ведал и , что жи вут в · м икро б ном царстве и очень во м ногом за висят от эт их вездесущих невиди мок. Перв ы м и , кто заи нтересовал с я и начал и зучен и е м и к робов, б ы л и н идерл андск и й н атурал ист А . В . Л е в е н гук и французс к и й у ч ен ы й Л . Пастер. Левенгук и з обре.п м и к роскоп и , рассмат р и в а я п р и боль ш ом увел и че н и и каплю воды , вос к л и к н ул : «Какие заба в н ы е крохот ные зверьк и ! » Знамен итая фраза ознаменова ла рожд е н и е новой н ау ки - м икроб и ол о г и и , ч ь е назван и е составлено и з трех гречес к и х слов : « м икрос»- мал ы й , «биос»- ж и з н ь , «л огос»- учен ие. Л у и П астер зало жил ос новы этой н ау к и . В остроум ных опытах он опроверг бытовав шее представле н и е о том , что м и к робы самозарож даютс я , доказал ,
К о м м е н т ар и й З Лу и Пастер в свое й а боратории. л 98
М И К Р О В С ЕЛ Е Н Н АЯ Р Я Д О М С Н А М И что орошение, гн иен и е и заразн ы е болезни вызы вают в каждом случае отдел ь н ы е виды м и кроорга н измов. В те времена, как, в п рочем, у не которых л юдей и сейчас, пон ятие «ми кроб ы » всегда было св язано с т яжел ы м и и опас н ы м и заболева н и я м и . Полтора столет и я н азад в н е запно в оз н икав ш и е и захватывав ш и е цел ые континенты эп идем и и ч ум ы , осп ы , других болезней собирал и обильную жатву смертей . М ил л и о нами гибл и дет и . Безум н ы й страх перед непонятными и неуловимы м и уби йцами передавал с я и з по колен и я в п окол е н и е . Л . П астер, Р. Кох (немец к и й м и к робиолог, л ауреат Н обелевской п реми и ) и другие ученые обн аружил и н аибо лее опасных уб и й ц - возбудителей болезней - и разработали актив ную с истему о б орон ы : научились обезвреживать и х . П ростые с посо б ы обеззараж и в а н и я п родуктов п и тан и я , х и рургических инструментов, посуды и п о сей день носят им я Пастера. На бутыл ках молока, кото рые м ы покупаем, н а п исано « п асте ризованное» " . П астер ж е открыл с пособ ослаб л ять в озбудителей гроз н ы х , вызы вающих эп идем и и болез н е й . Он создал с п асител ь н ы е живые вакци н ы п ротив бешенства, с ибирской язвы, кур и н о й хол е р ы . Ослаблен н а я , н е с п особ н а я в ы звать заболева н и е кул ьтура м икробов - вакцина, введе н н ая п од кожу и л и в кровь, дает тот :же эффект, как перенесен ная легкая форма болез н и , создает невос п р и и м ч и в ость орган изма. Это был пер в ы й шаг к вратам царства м и кробов, первая поп ытка п ревра тить врагов в помощн н ков. И надо сказать успеш ное. В царстве невидимок действуют, оказываетс я , те же закон ы , что и в доступ ной нашему зрен и ю живой природе. И здесь за свое сущест вован ие н адо бороться . Боротьс я с в рагам и, с соперн икам и за п и щу, за место обитан и я , за право про и зводить и сохранять потомс тво. П р ирода снабдила м и к роорган и змы оружием для защиты и нападен и я : х и м и ческ и м и веществам и , кото р ы е нарабатывает и накап л и вает к л етка. Они могут в ыдел яться в окружаю щую среду. В н утрен н ю ю борьбу за с уществован и е заподозрил тоже Л у и Пастер еще в 1 877 году. В од н ом и з оп ытов в п одготовле н н у ю п итател ь н у ю смесь дл я возбудите ля с иб ирской я з в ы случа й н о попала и з воздуха бактер и я - с и негн о й н а я п алочка. Рост м икробов с и б ирской я з в ы резко затормоз илс я . П астер п редп ол ожил тогда, что враждеб н ых друг другу м икробов-антаго н и с т о в м ожно как-то испол ь зовать в борьбе с бол е з н ям и . Это п редпо л оже н и е всесторон н е развил и глу боко разработал русск и й у ч е н ы й И . И . Меч н иков. Ему п р и н адлежит заслуга создан и я н ау ч н ы х основ теор и и антагон изма м икробов и практ и ч ес кого ее использован и я дл я лечен и я и нфекцион н ых заболе ван и й и п редотвраще н и я старе н и я . Мечн иков доказал, ч т о моло ч н о к ис л ые м икробы п одавл яют раз в и т и е вред н ы х дл я орган изма гн илос т н ы х бактери й , п о п адающих в к и ш е ч н и к ж ивот н ы х и человека. О н п редло жил использовать бол гарскую п р о стоквашу - й о гурт д л я лечен и я ки ще ч ны х заболеван и й , оздоровлен и я орган изма и п родл е н и я ж и з н и . З а то, что впервые в истори и науки была сдел ана усп е ш н а я попытка п р имен ить п р одукты жи з н едеятель н ости м икробов-антагонистов дл я л ечен и я и профилакт и к и болезней, другим и вызван н ых м и кробам и , И . И . Меч н и ков совмест н о с немец к и м врачом и бактериол огом П . Эр л и хом был удостоен Нобелевской преми и . Но п рошло нескол ько десятиле т и й , пока откры л и и науч и л ись п о л у ч ать антиб и от и к и и разв и л ось новое научное н аправлен и е, пока н а у ч и л ись п обеждать так и е т яже л ы е болезн и , как восп ал е н и е лег ких, туберкулез, зараже н ие крови, гн о йн ые инфекции и опухол е в ы е 99
К о м м е н т 11 р н й З
М И К Р О В С ЕЛ Е Н Н АЯ Р Я Д ОМ С Н А М И пораже н и я , с ч итавшиеся прежде бе зусловно смертел ь н ы м и . Х о т я здоровье всего важнее, но, разумеется , проникнув в м и р везде сущи х обитателей планеты , л юди открыл и неисчислимые богатства и стал и п ытаться ис п ол ьзовать са мые разнообразные цен н ы е качест ва. Ведь м икроорган изм ы с п особ ны получать энергию, не п оглоща я кислород воздуха, как все млеко п итающие, а, скажем , п утем броже н и я . Например, дрожжи преобр азу ют глю козу в этиловы й с п и рт и кислоту без доступа кислорода. Есть м и кробы-ан аэробы ( « аэр» воздух, «ан»- отр ицател ьная при ставка) - им в ообще н е нужен кис лород. Некоторые из них даже гиб нут в к ислородной атмосфере. исполь Существуют бактери и , зующие дл я биосинтеза энер г и ю сол н е ч н о го с вета, к а к растен и я . И х называют фотос и нтет и ческ и м и ил и фототроф н ы м и . Местом обитан и я фототрофы и збрал и серные источ н и к и , озера, морские зал ивы и л и ман ы . Красные и зеленые п л е н к и на п одвод н ы х . камн ях, кровавая окраска воды - признаки скопле н и я пурпурных и зелен ых серн ы х бакте р и й . Н екоторые и з н и х с п особн ы усваи вать мол екул ярн ы й азот ил и выдел ять молекул я р н ы й водород, а также окислять сероводород до серы и сул ьфатов . Помн ите, как н ач и н ался о черк «Архитектура клетк и » ? Так вот, давным-давно, скол ь к о-то милл иар дов лет н азад, где-то н а нашей п л а нете, в каком-то в одоеме крохот ные комочки н еорган изованной сли зи - протопл азмы - упорядочи лись и превратились в клетку с ее сл ожной структурой и обязан н остя ми. В клетку, способную к с амо регул яци и , самосборке, самовос произведен и ю п о п рограмме, запи сан ной н а нуклеиновых кислотах и защищенной от поврежден и й на дежн ым механизмом ферментной системы . Первым и так и ми орган и з мам и и был и , по некоторым совре- мен н ым представлен и я м , име н н о бактери и-ан аэробы и ф ототро ф ы . Е два успев п о я в иться, он и стал и ре ш ител ь н о и быстро п реобразовы вать и окружаю щ и й их м ир. Атмос фера Земл и , как в ы знаете, в те времен а с ил ь н о отл и чалась . от тепе реш н е й . В ней преобладал и н е азот и кислород, а в одород, амм и ак, метан и углекислота. Бактер и я м , способным усваи вать водород, ам м �ак, метан и углекислоту, мы обя зан ы п оявлен и ем того, что п р и н ято называть воздухом : он и в ыдел ял и к ислород, умень шал и кол и ч ество углекисл оты и с п ос обствовал и п о явлен и ю бактери й-аэробов, а позже м н огоклеточных растен и й и ж и в от ных. П р ив ы ч н ые дл я нас природ н ы е усл о в и я - живой ми р - это н асл ед ство, оставлен н ое неисч исл имыми поколен и я м и разл и ч н ы х м и кроор ган и змов . А н ел ь з я л и и теперь п р ибегнуть к и х п омощи , чтобы сохран ить п р и роду, и збав иться о т вредн ых п о следст в и й деятел ь н ости человека, от п ромь1 шленных отходов и за грязнен и й ? В общем, взять и х себе в сотруд н и к и ? Ведь вы убед и л и с ь , скол ь успешно использует живой м и кром и р б и ох и м и я и молекул яр н а я ген етика. Каков ы в озможности самой м икроб иологи и? Задад им эти вопросы академ ику Георги ю Кон стан т и н о в и ч у Скрябину, главному ученому секретарю АН СССР Ге рою Социалистического Труда, од н ому и з ведущих советс к и х ученых в области тех н и ч еской микробиол о г и и и б и ох и м и и м икроорган и зм ов. Академ и к С к р яби н п ос в ят и л свою жизнь изучен и ю би о х им и ческой ак т и вности м икроорганизмов и изыс кан и ю возможностей п ракти ческого ее использов а н и я , а также би о и н женерн ым разработкам . О н - ос н о вател ь и директор Института б ио х им и и и ф и з иолог и и м икроорган из мрв А Н СССР в П ущи н о, в ице президент Генераль н ого комитета Междун ародного совета н ау ч н ы х обществ. 1 01
Коммент"рн й 3 1 02
М И К Р О В С ЕЛЕ НН А Я Р Я Д ОМ С Н А М И н о м з д а н и и н а У н и в е р с и т е т с к о й н а б е р еж н о й в Л е н и н г р а д е р а з д а л и с ь м я г к и е а к к о р д ы к л а в ес и н а , н а кото р о м и с п о л н я л и с ь м у з ы к ал ь н ы е п р о и зв е д е н и я X V I 1 в е к а . Т а к о т к р ы л а с ь торжест в е н н а я це а к а де м и к у вручен и я р�мо н и я Г . К . Скрябину почетной прем и и и м е н и А . П . Карпи нского, крупней ш е г о у ч е н о г о и общес т в е н н о г о де ятел я , быв шего первым през иден Ска нирую щий электроппы й микроскоп позво ляе т пе только увидеть мель ча йших пара зитов - шис тосом , в ызываю щих распро стра пе ппо е в ю жпых стра нах тяжело е за боле ва н ие , по и выявить детали их строе н ия, например , шипоо бразпые присоски, с по мо щ ь ю которых опи пр икрепляю тся к сте н кам кровепоспых сосудо в чело в ека и животн ых. Но п р ежде ч е м н а ч а т ь б е с е д у , с т о и т р ас с к а з а т ь об о д н о м з н а м е н а тел ь н ом с о б ы т и и . 1 5 с е н т ябр я 1 98 2 года в с т а р и н - т о м А к адем и и н а у к н а ш е й с т р а н ы с 1 9 1 7 п о 1 936 год . П р е м и ю и м е н и А . П . К ар п и н с к о г о у ч р ед и л Ф о н д города Г а м б у р г а в Ф е д е р а т и в н о й Р е с п убл и к е Г е р м а н и и в 1 977 год у , с це л ь ю с п ос обст в о в ат ь у л у ч ш е н и ю от н о ш е н и й м ежду С С С Р и Ф Р Г и содействовать п о в ы ш е н и ю уров н я разв и т и я м и ро в о й н а у к и . Такой н а г р а д о й м о г у т б ы т ь от м е ч е н ы к а к отдел ь н ы е н а у ч н ы е д ос т и ж е н и я , т а к и с о в о к у п н ос т ь р а б о т од н о г о у ч е н о г о . В с о о т в е т с т в и и с п ол ож е н и е м , л а у р е а т п р ем и и и м е н и А . П . К а р п и н с к о г о и м е е т п р а в о п р е д л ож и т ь к а н д и д а т у р у м ол од о г о у ч е н о г о , с т и - 1 03
Комментар и й 3 Та ин стве нн ы й н езримый мир окружает пас повсюду. М икроскопи ческих с у е тв щ с ми .11.11 ио н ы и ми.11.11 иопы на кажд ом квадрат н ом са н т им е тре по чвы и расте ни й , даже в г .11 у бипа х океана, .11 ь дах А р ктик и , горячих в у.11 ка пических источ никах. 1 04
М И К Р О В С ЕЛ Е Н Н АЯ Р Я ДОМ С Н А М И пендию для обучен и я которого п редоставляет Фонд Гамбурга. Основатель Фонда - немецки й учен ы й , доктор А. Тёпфер, п оздрав ляя академи к а С крябина, особо под черкнул гуман истическую направ ленность его работ и в ы разил боль шую п р и з н ательность за реал ь н ы й вк.hад в решение острой глобал ь н о й , п роблем ы - п роблемы п и т а н и я че ловека. Какая, казалось бы, связь между биохимией м икробов и п итан ием Че.повека? Вот об этом мы и попро сим рассказать академ и ка Г. К. Скря б и l-!а. 1 05
ИНТЕРВЬЮ ИНТЕРВЬЮ А r;ад е мик Г. СКРЯБИН РАБ О Т Н И К И Н Е В ИДИ МК И - Прежде всеrо, Георrнм Кон стантнновнч, хотеnось бы узнать, п очем у прн вручен мн Вам, нзвест н ом у бнохнмнку н мнкробноnоrу, премнн нменн А . П. Карп ннскоrо Фонда Гамбурrа доктор А . Тёпфер особо отметил Baw nнчным вклад в реwенне одном нз основных, осо бо острых и насущных проблем, перед человечеством,стоящих проблемы поnучення продуктов пн таниА, борьбу с rолодом ! - Вы хорошо знаете, что в п ослед н и е дес ятилет и я человечест во стол к н улось с некотор ы м и , на первый взгл яд совершенно нераз реш и м ы м и п роблем ам и . Я имею в в иду разраз и в ш и й с я в 70-х годах и бурно прогресс ирующий энер ге ти чес к и й кризис , неудержи м ы й рост 1 06
Р А Б ОТ Н И К И-Н Е В И Д И М К И народонаселен и я - так называ емы й демографи чески й взрыв - и косвен н о связанную с н им, к а тастроф и ч ескую в н екотор ы х ре гионах пл анеты, нехватку п родо вольст в и я и м и нерал ь н ы х ресурсов . Не менее серьезная мировая проб л ема - загряз н е н и е окружающей сред ы . М н огие с ч итал и , ч т о п оложе н и е безвыходно; ч т о человечество по пало в туп и к . К с ч астью, все не так траги ч н о , как кажется . Есть путь к решен и ю вознй к ш и х острых п роб лем . Путь этот п одсказывают ог ром н ы е н ауч н ы е достижен и я по следн и х л ет, что всел яет в н ас обоснован н ы й опт и м и з м . Поэтому в сложной современ н о й обстановке каждому у ч еному, л юбому ответст ве н ному п редстав ителю м ногоч ис л е н н ы х специальностей необходи мо, мне кажется, серьезно заду м атьс я над тем, что его н аука, да и он л и ч но, м ожет сделать дл я быстрей ш его устранен и я трудно стей, стоящих п еред л юдьм и . З адум ал ись н ад эт им и м и к р о б и ол о г и . П оп ытаюсь н а конкрет ных п римерах раскрыть возможную рол ь н ек оторых аспектов м и кроб и оло г и ч еской науки и тех ее эксп е риментал ь н ы х разделов, в которы х я имею с ч астье м н о г о л ет работать, в решен и и у п ом я н утых глобал ь н ы х п робл ем . В ы задал и воп рос о п родуктах п итан и я . Что ж, нач нем с н и х . Го л од, недоедан и е всегда тес н о с в я заны с н и щетой , бол езн я м и , в ысо кой детской смертност ь ю . Истор и я человечества зн ает н ес к ол ь ко п ро довол ьстве.н ны х к р и з исов. Но тот, что возн и к в 70-х годах, бес п рецедентен по длител ь н ости, ост роте и масштабам . Он охватил об ш и р н ы е район ы земн ого шара и, к сожал е н и ю , длится до с и х п ор . П о закл ю ч ен и ям м еждународ н ы х эк спертов, в мире голодает или ис пытывает ощутимую нехватку п и щ и О Т 5 0 0 МИЛЛ ИОНОВ ДО ОДНОГО МИЛ л и арда человек. Кажд ы й год уми- рает от голода 1 О м и л л ионов чело век, и это число рас т ет. - Цифры ужасающи. Это насто ящее бедствие. Что же предпри н имают дnя спасен ия n юдей ! Ка ковы п рогнозы! - Бол ь ш и нство у ч е н ы х эконо м и стов-аграрн и ков, изучающих п ро ресурсы мира, довол ьст в е н н ы е утверждают, что в сравнен и и с 1 970 годом к 2000 году сел ьско хозяйственное производство прод о вольств и я в м ире удвоитс я . Это колоссал ь н ы й скачок, обусл овлен ный современной научно-тех н и ч ес кой револ ю цией . И тем н е менее эт и же с п ециал исты о т мечают, что даже такого, казалось б ы , огром ного объема увел и ч ен и я продо вольстви я окажется совсем н едоста точ н о дл я п ол н ого удовлетворен и я п отребностей н асел е н и я Земл и в п итан и и . Тол ь ко дл я оказан и я сро ч н о й п родовол ьств е н н ой помощи в м еж дународном масштабе стран ы , п р о изводящие л и ш нее дл я себ я коли ч ество п родовольст в и я ( к а к гово дол ж н ы рят, стран ы-доноры), и м е т ь в р е з е р в е ежегод н о н е м е нее 1 О м и л л и онов т о н н зер н о в ы х . А факты с в и детел ьствуют о том, что мировые запасы п р одовол ьст в и я в п оследн и е годы з н а ч ител ь н о умен ь ш аютс я . Надо отметить, ч т о огром ное кол и ч ество зерновых в связи с р аз в итием животноводства идет н а кормлен и е скота. Т а к , в последнее дес ятилетие п отребле н и е зерновых н а п одкорм с кота в С Ш А увели ч и л ось на 1 6 % , а у нас в С оветском ' Союзе - на 30 . % Н ет н ужды говорить о важности рас ширен и я фронта науч н ы х иссле дован и й , с в я з а н н ы х с решением м и ровой п родовол ьствен н о й п рограм мы. Достиже н и я соврем е н н о й науки в этой области соверше н н о о ч е в и д н ы . В качестве одного из п р и меров можно сослаться на так на зываемую « зеленую револ юцию )) в недрен и е в раз в и вающихс я стра1 07
Инт ер в ь ю 4 То , ч то мы име пуем о бщим попятием 11 д рожжи » , па самом д еле раапо обраапы й и у див ител.ьпы й комплекс жив ых о брааовапи й. н ах в ы с окоу рожайных с о р то в р а с те н и й ,- на кот о р ую в о з ла г али мно го н адежд. Однако п ищи в ми р е п о- преж н ему н е хват ае т . Н е хва т ае т , н е с мо т р я на з н ачи т ел ь ное у в еличение ми рово г о объема П р о дукции продо в оль с т в ия, нес мо т р я н а н овые со р т а рас те н и й и ши р о кое вн ед рен и е с о вр еме н н ой тех н о ло г и и с ел ьс кохо з яй с т в е нн ого пр о и зв одс т в а. Н о и эт о н е . вс е. Ка к ус т ано в лено, р абот осп ос об нос т ь , з дор о в ье и даже жи знь чело в ека з ави с и т н е т ол ь ко от коли1 08
Р А БОТНИКИ-Н ЕВИ ДИ М К И чества калор и й , получен н ы х с п и щей, но и от сбаланс ирован н ости п итател ь н ы х веществ, содержащих с я в ней . В перв ую очередь это касаетс я н ал и ч и я в п и ще белков и в итам и н ов . П р и том бел ков, содер жащих оп ределен н ы й состав неза менимых ам и н окислот, без кото рых нормал ьная жизнедеятельно сть человека н евозможна . П овсем ест но в н астояще е врем я наиболе е пищи дефицитным ком понен том кормов сельс кохо и человека являетс я живот н ы х зяйстве н н ых белок. Дал еко не все представ л я ют, как мало люди в своем рационе п отребл яют белка жи вотн ого про исхожде н и я, край н е н еобходи мого для н ормал ь н о й ж и з н и . Даже в раз витых и н дустриал ь н ы х странах в среднем на од н ого человек а п р и хо д итс я В ГОД Т О Л Ь К О ОТ 20 ДО 25 К Г этого бел ка. Есл и же посмотр еть на положен ие в азиатских и аф риканских странах, то окажетс я, что потребл е н и е ж и в отного белка жител ям и этих регионов катастро ф и чески мало - около и л и , может быть, немножко бол ьше одного (подчерк иваю - одного ! ) кил ограм ма бел ка на человека в год ! Столь неуте ш ител ь н о положение с п ита н ием л юдей . Что же говорить о жи вотноводстве - ос новном постав щике м яса, богатого бел кам и , со держащем в нужном кол и ч естве все (в том ч исле и незам е н и м ы е) аминокисn<;н ы ! Расскажу о б этом подробнее. Основой фуражных кормов во всех странах м ира явл я ются семена зла ковых культур . Однако в зер н е зл а ковых культур, во-п ерв ы х , мало бел ка, а во-вторых, его а м и н о к ислот н ы й состав несбал ансирован из-за нех ватк и , п режде всего, незаа м и н ок ислоты - л и з и н а . мен и мой Специалисты знают, что п р и исполь зован и и в жи вотноводстве несба ланси рован ных кормов их расход на еди н и цу п родукц и и почти в два раза выше общеп р и н ятых зоотехни- Это тоже о д на и з ра зн о в ид но сте й д рожже й , н а з ываемая сахаромиц е тами . ч еск и х норм. Поэтому в корм, составлен н ы й н а основе зл аков ых, соверш е н н о необход и м о добавл ять белок, обл адающий и збытком как раз тех ами нокислот ( н а п р имер, л и з и н а), которых особен н о мало в злаках . Сбаланс и ровать корма также можно, добавл Я я к злакам 1 09
Интервью 4 м ясокост ную и рыбную муку ил и обезжиренное молоко. К сожал е н и ю, производство эти х добавок к р а й н е огра н и ч е н о и ни в какой мере н е м ожет вос пол н ить м ировой деф и ци т бел ка, содержащего бол ь шое кол и чество л и з и н а. Возл агал и н екоторые н адежды на увел и че н и е м и рового улова рыбы и испол ьзова н и я ее как исто ч н и ка бел ка. Д л я оптим и зма б ы л и серьезные ос н ован и я , и б о с 50-х по 70-е годы м и ровой улов более чем утроился . Но, к сожал е н и ю , и э т а н адежда н е оправдал ась . Б и ологи, изучающие ресурсы морей и океа нов, утверждают сей ч ас, что уловы п ромысловой рыбы, то есть той, что употребл яется в п и щу, почти дост и гл и своего м акси.мал ь н ого уров н я . Весьма перспект и в н ы работы се лекционеров по п ол у ч е н и ю гибрид н ы х растен и й с высок и м содержа н и ем бел ка. П р и м ером может слу жить гибрид п ш е н и цы и ржи, кото р ы й содержит бел ка н а м н ого боль ше, чем у каждого и з взятых д л я скрещиван и я сортов п ш е н ицы и ржи . В н екоторых л аборатор и я х п ытаютс я, и н ебезус п е ш н о , скрес тить более двух в идов растен и й . Однако эт и работы тол ь к о раз в и ваются, и н а быстры й резул ьтат в н едре н и я их в п рактику н адеятьс я в ближайшем будущем труд н о. А си туаци я с п родовольствием в сегод н яш н ем м и ре остается, по мен ьшей мере, неуте ш ител ь н о й . · - Действительно, картина без отрадная. Н о Вы rовор или, Геор rий Константинович, что есть осно вания для оптимизма. Непонятно только, при чем же здесь м икробы! Как и чем моrут помочь эти мель чайwие живые существа в нехватке сотен миллионов тонн п родовольст вия, в белковом дефиците рациона людей и сельскохозяйственн ых жи вотных ! - На Ваш воп рос отвечу так : сегодн я без риска преувел и ч ен и я можно утверждать , что оп реде- л я ющ и й вклад в реше н и е м и ровой бел ковой п робл емы может в н ести м и кроб иологи ческая наука, исполь зуя в эт их цел ях огром ное разно образие м и к роорга н и змов, оби та ющих н а нашей планете. - И есть реал ьные научные основания к столь катеrор ичном у суждению! - Конеч н о. И и х мн ого . Первое и , может быть, далеко н е всем и звестное - б и омасса всех м и кро бов, живущих н а суше нашей зем л и , огром н а . Она в 1 30-1 50 раз бол ьше, чем вес всех без исклю че н и я об итающих н а н а ш е й планете животных, включая, кстат и сказать, и нас - л юдей . В одном гектаре окультуре н н о й почвы содержится до 5 тон н живой массы м и к роор га н и змов . Таким образом, повсемест но, рядом и вокруг живет огром н ы й и разнообра з н ы й мир хотя и невидимых, н о реал ь н о сосущест вующих вместе с нами живых су ществ . Второе, и м ожет быть н а ибол ее важное,- это уди в ител ь н а я способ н ость м и кроорган и змов фантасти чески быстро раст и и размножать с я . Так, время удвое н и я клеток м и кроорга н и змов исч исл яетс я все го л и шь н ескол ь к и м и часам и и де сятками м и н ут . Извест н ы отдел ь ные «штамм ы-рекордсме н ы » , кл ет ки которых способ н ы дел иться каж дые 5 м и н ут . Специалиста м и под с ч итано, что в течен ие одн и х су ток одна клетка может дать п о томство весом в од и н к ил ограмм . В тече н и е 2-3 суток от од ной клет ки может образоватьс я такое коли ч ество б и омассы, которое труд н о будет вмест ить в жел езнодорож н ы й состав . Естественно, что скорость нараста н и я б и омассы сопровож даетс я такой же скорость ю образо ван и я белков ых веществ, содержа н и е которых в б и омассе м и к ро орган измов в некоторых слу чаях дост и гает 80-85 % . С равн ител ь н ое изучен ие темпов биоси нтеза белка у животных и 110
Р А БОТН И К И-Н Е В И Д И М К И микробов показывает огром н о е преимущество б и ос интет и ческих возможностей м и кроорганизмов. Дл я п р имера п р и веду возможности круп ного рогатого скота и дрожже в ы х о р га н и зм о в . В о р г а н и з м е к о р о в ы , весом 5 0 0 кг, в сутки образуется всего тол ько 0,5 кг бел ка. За это же время дрожжевая масса, , весом 500 кг, естествен н о, п р и созда н и и е й благо п р и я т н ы х усло вий для роста и раз в и т и я , с и нте зи рует б иомассу, равную 50 ООО к г, то есть в т ы с я ч и раз бол ь ше . Так что м и кроорга н и з м ы , благода р я с в о и м ф и з и ологичес к и м особен нос продуктив нее тям, оказываются животных и расте н и й . И н аконец, треть я особен н ость м икроорга н измов - это изум итель ная их приспособл яемость к сам ы м разл и ч н ым, зачастую экстремаль ным услов и ям своего существова н и я . Ж и з н ь в анаэроб н ы х услов и я х без к исл орода ил и п р и высоких давл ен и ях и температ урах, по лучение энерги и п утем окислен и я неорга н ич ес к и х соеди н ен и й , у н и кал ь н а я с п особность ф и ксаци и мо атмосферы, лекул ярного азота усвое н и е энергии света и способ ность строить свое тело л ибо из двуоки с и углерода, л ибо из самых разнообразн ы х сложны х орга н и ч ес ких соеди н е н и й,- вот далеко не все п р и меры поражающего вооб раже н и е ф и з и ол о г и ческого разно образи я, встречающегос я в м и р е м и кробо в . В с е эти особен н ости м и к роорга н и змов н авел и ученых на м ысль использовать биомассу м и к робов вначал е в качестве бел ков ы х до бавок к корму ж и вот н ы х , а затем в в иде белкового компонента п и щи человека. Идея добавл е н и я в корм и п и щу биомассы м и кробов бази ровалась н а том, что при составл е н и и рационов определ я ю щее з н а чен и е и меет не происхожде н и е бел ка (живот н ы й , раститель н ы й ил и м икробн ы й ) , а его кол и ч еств е н н ое содержан и е в добавке и возмож- н ость компенсировать этой добав кой нех ватку оп редел е н н ы х ами нок ислот в бел ках злаков. Из огром н ого разн ообраз и я м и кроорган измов, обитаю щ и х в природе, первыми кандидатам и н а р о л ь п родуцентов п ром ы ш л е н н ого получен и я бел ковых веществ б ы л и выбраны дрожжев ы е орган и зм ы . Д л я такого в ыбора было доста точно основа н и й. Человечество и ме л о многовековую практику исполь зован и я дрожжей в хлебопече н и и и в и нодел и и : в и х биомассе достаточ н о в ысокое содержан и е бел ка и , ч т о особен н о важно, белка, в состав которого входит м н ого л и з и н а . Наконец, у специал истов выращиван и я навыки имелись дрожжевой массы в сра в н и тель н о бол ь ш и х объемах. Первый завод п о п р о и звьдству кормовых дрожжей в СССР был п ущен еще в 1 93 5 году. В качестве сырья н а нем и с п ол ь зовал ись хи м и ч ес к и е г идрол и заты оп илок, к у и сол ом ы . курузной кочерыжки Заводы, работающие н а х и м и ч ес к и х гидрол изатах древес и н ы и других целл юл озосодержащих материалах, успеш н о функци о н и руют и в настоя щее врем я . Они в ы пускают м н о г и е тьiс я ч и тон н гидрол и з н ы х дрожже й для нужд животноводства. К сожа л е н и ю , разв и т и е крупното н н ажного растительного, п р о и з в одства и з еди нственно возоб н о в л яемого н а земле с ы р ь я сдержи в ается отсутст в ием приемлемой тех нол о г и и не прерывного гидрол и з а древес и н ы и высоки м и удел ь н ы м и кап и таловло жен и я м и . П оэтому у ч е н ы е н а ч ал и п о и с к Н О В Ы Х источн и ков с ы р ь я дл я м н о гото н н ажного пром ы ш л е н ного по лучен и я бел ка м и кробного r�роис хожден и я . В начале 60-х годов п р и пре з идиуме А Н СССР был создан специал ь н ы й Науч н ы й совет по руководству и коорд и н а ц и и науч н ы х исследован и й , с в я з а н н ы х с п о лучением ми кробного белка и з 111
И н т ер в ь ю 4 ПРОБИОНТЫ Бактерии С и к е э е л е н ы е водор о с л и Амеба ПРЕДНЛ ЕТОЧНЫЕ СТРУНТУРЫ Ноацерват н ы е капли Микросферы \ ПОЛИМ ЕРНрl Е МОЛ ЕНУЛ Ы Н ИЗНО М ОЛ ЕНУЛ ЯР Н Ы Е ОРГАНИЧЕСК ИЕ СОЕд И Н Е Н И Я П о л и к у нл е отиды и др. П о л и п ептиды Л и п о п е п тиды По -р азному пр е д с тавля ю т уч ен ы е за р ожд ение жизни н а З е мл е . Эта с хема отража ет разв и т и е теории з в о.яю ции ма тер ии, с оз да н н о й академи ком А . И. О пар иным. угле в одородов не ф т � . Исследова н и я п ро в одились ком п лекс н о с п р и в лечен ием м и кробио11ого в , биохи м и ков, не ф тянико в , хим иков, биоин женеро в , с п ециал исто в в области п итан и я, здра в оох ра н е н и я, зоотех н и к и и в етери нар и и . Б ы ла изучена в озможнос ть в ы р а щ и в ан и я на средах с угле в одо р о дами п редста в ителей р азл и ч н ы х таксономических груп п м икроорга н и змов. С п особност ь расти на угле в одо р одах оказалась на и б олее ярко вы раже н ной у экологических груп п , свойственны х специфичес ким мес там обитан и я . Это п озвол ило сфор мули ровать в ы вод об ис п ол ьзова н и и ило в сточных в од не ф тепере рабатываю щ и х п редпри яти й и почв, в которые п о п адают н е ф тепродук ты, для изол иро ва н и я м и кроорга н измов, активно расту щ их на сре дах с углеводородами. Дл я в ыдел е н и я быстро растущих нужда не культу р - штаммов, ю щ ихся в добавлен и и в среду дл я культи в и рова н и я в итаминов, был использова н с п ециальный метод 112
Р А Б ОТН И К И - Н Е В И Д И М К И • «элект и в н ы х » культур. В сочетан и и с дл ител ь ным непрерывн ы м куль т и вирован и ем на среде с углеводо родам и при п осто я н н ы х усл ов и я х выращиван и я это позвол ило ото брать особен н о быстро растущие штаммы микроорган измов. Изучая способ н ости м и кроорга н и змов испол ь зовать углеводород ы разл и ч н ого строе н и я , м ы устан ови ли, что практ и ч ес к и все классы углеводородов могут в той и л и и н ой мере служить субстратами п и щей д л я роста м икроорга н измов. Однако, как правило, п р оцесс роста наиболее и нтенс и в н о происходит н а среде, содержащей параф и н ы . Н ау ч н ы е исследов ан и я п ослужи ли теорети ч еской основой для разработ к и рационал ь н ой аппарату ры и технол оги й дл я круп н отон н ажн ого производства кормовых дрожжей н а параф и н ах с огра н и чен ием содержан и я углеводородов в готовом продукте. В серед и н е 60-х годов в СССР были пущены первые п ил от н ы е ( п редпромышленн ые) установки п о получен и ю кормов ы х дрожжей и з углеводородов н е ф т и и развернуты б и ологи чески е испытан и я новых продуктов . - д не моrут белки из н ефти вводились в эксплуатаци ю новые пред п р и я т и я-гиганты, оборудован ные апп аратуро й в ысокой еди н и ч ной мощност и . Безусловно, орга н и зёщи я ш ирокого п ромы ш л е н н ого производства кормовых дрожжей была бы н емысл има без творческо го сотруд н ичества академ и ч еск и х и нститутов с орган и заци я м и Ми н истерства медицинской и микро б и ологи ч еской промышлен ности СССР. В н астоящее время производство кормовых дрожжей , в ы ращи ваемы х н а нормал ь н ы х п араф и н а х , играет все возрастающую рол ь в ж и в от новодстве нашей стра н ы . В СССР в год в ы п ускается около м и л л и о н а тон н дрожжей ( в высушен н ой ф ор Это кол ич ество п озвол я ет ме). обогат ить н еобх одимым бел ком бо лее 20 м и л л и онов тонн кормового зерна. В н астоящее время С овет с к и й С оюз имеет абсол ютное л и дерство в промышлен н ом п р оиз водстве кормового белка микроб н ого происхожден и я . - Значит, сделать молоко или мясо п отреб ляющих их животных вредным ил и невкусным! - Ветер и н ар н о-зоотех н и ч ес к и е исп ытан и я и скрупулез н ы е мед и к о по исследован и я биолог ические звол и л и сформул ироват ь требова н и я к качеству кормовых дрожжей и составить рецептуры их п римене н и я , гарантирующие безвред н ость дл я человека продуктов ж ивот н о водства, п олучен н ы х п р и скармл и ван и и кормов ых дрожжей , в ы ра щен н ы х на параф и н а х . В конце 60-х годов н а ч алась опытно- п р ом ы ш л ен эксплуатаци я н ы х п роизводств п о получен и ю кормовых дрожжей и з п араф инов, а в 1 973 году п ущен п ер в ы й круп ный завод. В последующие годы проблема решена! - В том-то и дело, что, несмотря на стол ь ощут и м ы й успех, м икробного белка дл я н ужд жи вотноводства нам еще н е х ватает. В будущем в нашей стран е н еоб ходимо довести ежегод н ы й в ы п уск м и кробного бел ка до 1 0-1 2 м ил л ионов тон н . Тогда можно будет п ол н ость ю обогатить белком все зерно злаковых, идущее на корм сельскохозя йствен н ы м живот н ы м . Но существующие ресурсы п ара ф инов н е смогут обеспе ч ить в бу дущем столь в ысок и й масштаб п р о изводства. П оэтому мы и щем н о в ы е виды с ы р ь я , п р и годн ы е дл я м и к р о бов, производ я щ и х кормовой бе лок. Разн ообразие м и ра м икроорга н и змов и т и п ов их п итан и я откры вает ш ироки е в озможн ости д л я и зыскан и я разл и ч н ы х способов про изводства кормового белк а . М и кро орган и з м ы ведь можно в ы ра щи вать, обеспеч и ва я их энергией 113
И н тер в ь ю 4 Ф из ик и в ооруж ил и б иолого в со в ершеппыми средствами и пр и б орами , удо б пыми ма пипулято рами . о рга н ических, м и н е ра л ь н ых веществ или за счет фотоси н теза. По всем этим напр авлен и ям пр оводится большая исследовател ьская р абота. Н о пр и отбо р е п е рс п ект ив н ых в идов сы р ь я дл я к р у пн ых заводов особое в н има н ие удел яется пр ежде всего химическ и ч истым в идам, желател ь н о индивидуал ь н ым соеди н е н и я м . П р име н ение ч истых соеди н ен и й позвол ит орган и зовывать ста биль н о работающие к р уп н ые п роиз водства и получать пр одукцию строго п остоя н н ого качества. Как очень п е рспекти в н ые виды сырья для круп нотон на жного биосинте за бел ка сейчас рассматриваются и н изшие сп ирты - метиловый этиловый, получаемые из п ри родно го газа. - Разве дрожжи способны расти и на метиnовом спирте! Ведь :.то сиnьный яд ••• - Прекрасно р астут, и об н ару жено это было с ра в н ительно не дав н о. Оказалось, что метан ол окисляющие дрожжи вст р ечаются нечасто, но есть груп пы, штаммы 1 14
Р А Б ОТ Н И К И-Н Е В И Д И МК И которых могут расти имен н о н а ме тан оле. При выращиван и и в произ водственных услов и ях практ и ч ес к и н е будет п отерь метанола и загр яз нен и я им атмосферы в районе за вода. При росте на метаноле дрож жи не с и нтезируют метиловые эфи ры жирных к ислот, гидрол из кото рых в орган изме живот н ого п р и вел бы к в ысвобожде н и ю метанол а . Метиловый сп ирт действител ь н о с и л ь н ы й я д , что, естествен н о, н е могло н е вызы вать о п асе н и й у с п е циал истов . Ведь биомасса дрожжей, выращен н ы х н а этом субстрате, пойдет в корм жи вотн ы х . П оэтому были п роведены допол н ител ь н ы е которые пок азал и исследован и я , н есостоятел ь н ость опасен и й . Было устан овлено, что остаточ н ы е кол и ч ества метанола в в ыраще н н о й на нем б и омассе н и чтожны и н е п ре в ы ш ают того кол и ч ества, которое всегда пр исутствует во фруктовых соках и морской рыбе. Я утверж даю, что метанол а в дрожжах ока залось знач ител ь н о ме н ьше, чем в креп к и х алкогол ь н ы х нап итках. Н а м ет и л овом с п и рте хорошо растут и разв и в аются также и бак териал ь н ы е кул ьтуры, которы е со держат бол ь ш е п о сравне н и ю с дрожжам и бел ка. К сожал е н и ю , промышлен н ое производство бакте р и ал ь н ой м ассы св язано с п реодо лением допол н ител ь н ы х трудно сте й , таких, как повышенные тре бован и я к г и гиене, обеззараж и в а н и ю в процессе выращиван и я . С у ществуют и н екоторые технологи чес к и е слож н ости п р и отдел ен и и мел к и х бактери ал ь н ы х клеток от водной фазы. Уч итывая бол ь шую технологич н ость дрожжей , заман ч и в ы м п ред ставл яетс я методами ген н о й и н же н ер и и и н тенс и ф и цировать фермент н ы й путь окислен и я метанола с п о мощью дегидрогеназы в формаль дегид у дрожжей . Это п озвол ило бы в 1 , 5 раза п овысить продук т и в н ость растуiцих дрожжей н а ме таноле и резко с н и з ить расход ы . Не забудем и о б этиловом с п ир те как о сырье дл я выращиван и я дрожжей, н еобход и м ы х животно в одст ву. Можно с радост ь ю кон статировать, что п и он ерам и в и зу ч е н и и м етодов получен и я кормов ых дрожжей н а эт ил овом с п ирте яв л я ютс я советск и е ученые. Доказа но, что почти все дрожж и растут на этаноле. Это позвол я ет вы брать дл я пром ы ш л е н н ого и с п ол ь зован и я н аиболее п одход я щ и е культур ы . Проведе н н а я в Институте б и о х и м и и и ф и з и ологии м и кроорга н измов АН СССР исследовател ьская работа открыла путь к осуществле н и ю интенс и в н ы х н а у ч н о-тех н и ч ес ких разработок по п р о и зводству дрожже й на этиловом с п и рте. Ми н и стерством медицинской и м и кро биологи ческой промышлен ности СССР н аработаны тыс я ч и тонн дрожже й на этаноле для проведе н и я массов ы х и с п ы та н и й . Мед и к о-биологичес к и е исследо ван и я и ветери нарно-зоотех н и ч ес кие испытан и я кормовых дрожжей , в ыраще н н ы х на этаноле, дал и прек расные результат ы . В о п ытах на животных установлено, что п и татель н а я цен ность этих дрожже й в ы ше , чем у соевой мук и . Новому ви ду кормовых дрожжей н а эта ноле п р исвоено коммер ческое назв а н и е «эпр и н » . Животноводы сч итают, что, пока э п р и н а в стране производит целесообразно н едостаточ н о , ся испол ьзовать этот вид кормов ы х дрожжей п режде всего в качестве замен ител я цел ь н ого м олока п р и в ы п ой к е тел ят, я г н я т и порос я т . - Это, безусловно, радикальное реwение проблемы. Ведь микро биоn оrическое п роизводство кор мовоrо белка в боnьwих количест вах, кроме всеrо прочеrо, сэконо мит оrромную массу зерн а и дру rих продуктов, ценных дn я челове ка. Но интересно узнать, есть пи какие-л ибо перспективы производ ства микробных продуктов п итания непосредствен но дnя человека ! 1 15 - Это чрезв ы ча й н о важн ы й во-
И н т ер в ь ю 4 прос. Ведь производство бел ка дл я кормов не идет н и в какое сравне н и е со з н а ч и м ость ю п олучен и я п р о дуктов, непосредствен н о п отребл я емых в п и щу. Зн аете ли Вы, что в м ире в среднем н а каждого ч е ловека п р иходится одн о дом а ш н ее ж ивотное и одна домаш н я я п т и ца, которые п отребл я ют в 5 раз боль ше корма, чем человек - п и щ и . Конечно, м н о г и е станут говорить, что н и когда м и кроорга н и змы не и с пользовались в · п и та н и и и такие попытки, мол, бесперспект и в н ы . Это глубоко ош ибоч н ы й взгл я д . Ми кро орган измы издавна служат п и ще й человеку в таки х п родуктах, к а к хлеб, сыр, п ростокваша, разл и ч ные квашен и я , не говоря уж о бл юдах из грибов , которые в и зоби л и и пот ребл яет населен и е разных стра н . Разнообразные плесневые грибы используются в восточной кухне, что п озволяет обогатить бел ком п и ще в ые п родукты растительного проис хожде н и я . Нескол ько л ет н азад в И нституте б и о х и м и и и ф и з и ологи и м и кроорга н измов АН СССР был разработан с п особ выращиван и я на этиловом сп и рте обы ч н ы х дрожжей , испол ь зуемых в хлебоп е ч ен и и , и обогаще н и я эти м и дрожжа м и п ше н и ч н ого хлеба - п родукта трад и ци о н н ого ежедневного потреблен и я . Это поз волило повысить питател ь ность хле ба по бел ку в 1 ,5 раза при добав лении всего 3 % высушенн ых дрож же й от массы муки. Возможн ы и другие варианты и с п ол ь зован и я м и кробны х белков в п итан и и человека. В ч астности , п р ов од ятс я работы п о выдел ен и ю и з м и кробной б и омассы более ил и менее о ч и щен н ы х фрак ци й бел ков, получе н и ю ферменто л изатов и авто л и затов ( « л и з ис» от греческого расщепл ение, распад) дл я п итан и я как здоровых л юдей, так и, глав н ы м образом, бол ь н ы х пациентов. П од бирая подход я щ и й штам м м и кроор ган и зма и вл и я я на его состав услов и я м и выращиван и я , удается по- лучать клетки с достаточно высоким содержанием и благопри ятным составом свободн ых аминокислот. Э'ти довол ь н о а м и н о к ислоты · п росто в ыдел ить и з биомассы, а п редставля получаемая смесь ется перспекти вной для лечебно го п итан и я тяжелоболь н ых люде й . А теперь расскажу о получен и и бел ка и з газообразн ы х веществ метан а и водорода. Можете п ред ставить себе - вездесущие м и кро бы растут и на эти х субстратах ! Пром ы ш л е н н ое выращ и в а н и е МИ!< роорга н и змов н а газообразны х, да взры вооп ас н ы х и еще гор ю ч и х субстратах, п о п о н ят н ы м всем . п р и ч и нам, знач ител ьно осложн яет тех н ол о г и ю производства бел ка. К ро ме того, за с ч ет о к исл ен и я эт их газов можно выращивать тол ько бактер и и . Дрожжи н а метане и во дороде н е растут. Но, н есмотря н а это, нужно максимал ь н о форси ровать все медико-биол оги ч ес к и е исследова н и я , св язан н ы е с п риме н е н и ем в животн оводстве биомассы м и к роорган и змов, в ыращен н ы х на метане и водороде, ибо получе н и е в пром ы ш л е н н ы х масштабах белка н а эти х газах в нашей стране п о многим п р и ч и нам очень п ер спект и в н о . Надеюсь , я ответил на воп рос о рол и м и кроорга н и змов в реше н и и п родовол ьствен н ых п роблем . Еще тол ь ко необходимо сказать, что производство белка с п омощью м икробов в ы годн о отл и ч ается от сельскохозяйствен н ого производст ва п родуктов п итан и я . М икроб и ол ог и ч еское производ ство белка - промышлен н ы й про цесс, н е з ав и с я щ и й от кл имати ческих и п огод н ы х услов и й , сезона года. Процесс осуществляетс я ин тенси в н о, по непрерывной схеме, он п оддается автомат изирован н ому уп равлен и ю с использован и ем со времен н ы х средств элект рон но-вы ч ислител ь н о й тех н и к и . П р и м икро биологичеtком производстве бел ка знач ител ь н о эффект и внее, чем в 116
Р А Б О ТН И К И -Н Е ВИДИ М К И
И нтерв ь ю 4 Я блоне вая мол ь и ее л и ч ин ка пр е вра щ а ют р умяны е я бло к и в н е съе до бную гнил ь . Н е ме нее опа сна с л ив ов ая. моль . сельском хозя йстве, исполь зуются вода, м и н ерал ь н ое сырье, металл, транспортные средства и , конеч но, зем л я . Естествен но, ч т о посе в н ы е пло щади не требуются вообще . Это экон ом и ч ес к и выгодно и и м еет благоп р и ятные социал ь н ы е п осл едст в и я - позвол я ет экон ом ить л юдской труд, повышать его про изво дител ь н ость . Нужно отметить, что продукты и отходы м и кробиологического п ро и зводства белка не содержат каких бы то н и было вредных веществ, а само прои зводство достаточ н о Я й ца пара зи та поражаю т крас и в ые пло д ы. гармо н и ч но в п и сывается в функ це в биосферы ционирование лом. - В таком сnучае, вероятно, м ожно надеяться, что промыwnен ное куnьтивирование ниэwих форм жи з н и - м и к р о о р r а н и э м о в - п о эвоnит реw ить еще одну не менее острую пробnему - с охранить при роду от эаrряэнения! - Это само собой разумеетс я . И здес ь, мне кажетс я, стоит обра тить в н имание на еще оди н аспект : на роль м и к роорга н и змов в борь бе с насекомым и - вредиtел ями расте н и й , сельскохозя йствен ных 118
Р А Б О Т Н И К И-Н Е В И Д И М К И К ук о лки вре дителя пря ч утся глу б о к о в ств о ле, и из вле ч ь их о ттуда нелегко . Л и ч и н ка пр о п и кае т в н у тр ь и в ы е да е т пр е вра ща я сли в ы в т р у х у . Ги б н е т все, при носящими огром н ы й урон сель скому хозя йству во всех странах . Я не б уду говорить об извест ных преп аратах «бациллах турен генсис», сп орообразующие клетки которых нашли ш и рокое п р и мене н ие дл я защиты растен и й в ка ч естве и нсектицида благодар я то му, что обл адают высокой и зби рател ьной токс и ч н остью дл я л и ч и нок м ногих н асекомых-вредител е й (он и вызы вают п арал и ч гусе н и ц) . Можно было бы п р и вести много и н тересных дан ных и о других ядовитых дл я вредите л ей м и кро орга н и змах, к оторые се � ч ас исполь- не тол ь к о с о бр а нн ы й у р о жа й , н о с о зр ева ю щи е пл о д ы. Сохра п ит ь пл о д ы а до р о выми и м о гают ф еромо ны - паху ч ие ж ащие ср е дств о м о б ще н ия и с ъе до б ны ми п о в е ще с тва, слу па сек о.м ых . зу ютс я в практике сельского хоз я й ства. Мне хотелось б ы вам расска зать о совсем новых эксперимен тал ь н ы х фактах - о с п ос обн ос т и м и кробов с и нтезировать н е ядо витые дл я н асекомых вещества, а соед и н е н и я , обл адающие с войства м и феромонов. Да, я не огово рился, феромонов - спец и ф и чес ких веществ сложного строен и я , дл я испол ьзуемых н асеком ы м и внутр и в идовой коммун и каци и , об щен и я , попросту говор я , см ысло вых с и г н алов друг другу, их «раз говорной реч и » . 1 19
И н т ер в ь ю 4 Дав н о известно, что п ол овозре лые сам к и многих в идов н асе ком ых выдел яют специф и ческ и е пахучие вещества, п р и в л екающие самцов и в ы зы вающие у н и х поло в ы е реакци и . Так, например, феро мон сам ки капустной сов ки воспри н имается самцами на рассто я н и и до трех километров , непарного шелкопр яда - почти до четырех километров, а бол ь шого ночного павл и н ье го глаза - на расстоя н и и д о восьм и километров. Некоторые н асеком ые способны восп р и н и мат ь феромо н ы в н и чтож н ом КОЛ И ЧеСТВе - ДО 1 o- I S грамма. Феромоны должн ы обладать мощ ведь особ и н ы м воздействием, рас могут находиться на большом · сто я н и и друг от друга. Феромоны способн ы к весьма специф и ч н ы м воздейст в и я м , ибо они должн ы соед и н я т ь самца и самку тол ько одного биологи ческого ви да. В настоящее врем я во многих л аборатор и я х мира расш ифрован х им и ч ес к и й состав половых феро монов бол ь ш о го ч исла насекомы х , глав н ы м образом вредителе й сел ь скохозя йстве н н ы х расте н и й , и раз работаны способы с и н теза эти х веществ. Нескол ько десятков и х пром ы шлен ность ю . в ы п ускаются В боль ш и нстве случаев сто имость фером.о нов искл ю ч и тельно в ысо ка - тыс я ч и и десятки тыс я ч рубле й за к и л ограмм, однако, даже п р и такой высокой стоимости, исполь зов а н и е их в практике защиты растен и й оправдан о. Важн о отме тить, что феромоны абсол ютно н е ядовиты дл я жи вот н ых, их п р и мене н и е не вызы вает каких-л ибо н ега т и в н ых п оследств и й . С е й ч ас непреры в н о совершенст вуютс я способы применен и я феро монов в п рактике защиты растен и й . ' О д и н и з эффект и в н ы х , использу ем ы х в н астоящее врем я прие мов - п р и м е н е н и е феромонов для насе о п ределе н и я ч ислен ности комых-вредител е й и изуче н и я ди н ам и к и разв и т и я и х попул яци й . Покрытые клеем ловушки , со держащи е небол ь ш и е кол и ч ества нескол ько тыс я ч н ы х дол е й грамма феромона, позвол яют вести отлов и оп редел ять н асекомых-самцов и х ч ислен н ость. Эт и дан н ы е имеют искл ю ч ител ь н о бол ьшое значение дл я практиков, поскол ьку п омогают точно установ ить оптимал ь н ы е сро ки обработки растен и й ядохи м и катам и и довести ч исло обработок до м и н имума, а также прогнозиро вать дал ь нейшее развит ие П ? пуля ций вредителей с учетом конкрет н ы х м етеорологи ч еск и х услов и й . Л о в у ш к и , устан овл е н н ы е н а п о л ях, отл авл и в ают самцов бабочек в таких бол ь ш и х кол и ч ествах, что это заметно сказываетс я на способ н ости попул я ц и и к воспроизводству (так назы ваем ы й метод самцового вакуума). Имеются и другие п р и емы использов а н и я феромонов дл я борьбы с насеком ы м и . Дл я этой цел и "!_а полях создается необ ы ч н о в ысокая концентраци я половых фе ромонов, которая в ы зывает п ол н у ю дезор иентаци ю сам цов и т е м са мым п реп ятствует спариван и ю н асе комы х . К он е ч н о, использов а н и е феро кул ьтурн ы х защиты дл я монов растен и й с а м ы м непосредстве н н ы м образом з а в и с и т о т стоимости эти х препаратов, о т и х досту п н ости и возможн остей и х с и нтеза в доста точ н о бол ь ш ом ассорт именте. В резул ьтате м н оголет н и х иссле дова н и й , п роводимых в Институте б и ох и м и и и ф и з и ологи и м и кроор га н измов АН СССР, было установле но, что дл я п олучен и я феромонов могут быть с бол ь ш и м успехом использованы с п особности м икро орга н и змов си нтезировать многие соеди н е н и я самой разл и чн о й х и м и ческой структуры и осуществлять ферментат и в н ое и х п реобразов а ние. Недавно в н ашем институте был и завершены экспер иментал ь н ы е и теорети ческие исследова н и я , пока зав ш и е возможность разработ к и 1 20
РАБОТ Н И К И-Н Е В ИДИ М К И п ростых и дешевых способов мик робиологи ч еского си нтеза феро монов некоторых насекомых-вре дителей, например, таких, как ози мая, хлопковая и капустная сов к и , п р и н осящих, как из вестно, огром ный вред растен иеводству. Микроби ологичес к и й метод п о лучен и я феромонов позволяет бы стро осуществлять с и н те з препара тов по униф ицирован ной схеме. О н не и меет аналогов в мировой науке. Метод сопряжен ного х и м и ко ми кробиологи ческого си нтеза поло вы х феромонов чеш уекр ылых дает возможность получать препараты во много раз ме н ь шей стоимости, чем самы й дешевы й из в ы п ускаемых промышлен ностью феромон ов ба бочек. Полевые п роизводствен н ы е ис п ытан и я получ е н н ы х п репаратов ан алогов феромонов, осуществлен н ы е в 1 98 1 - 1 982 годах совмест н о с н екоторым и исследовател ьским и учрежден и ям и наше й стра н ы , п о казал и их в ысокую б и ол о г и ч ескую активность и строгую специфич н ость действ и я н а оп редел е н н ы е в ид ы н асеком ы х . Таковы факты, с в я з а н н ы е с применением н ового метода с и нтеза феромонов, мето да, открывающего н еогран ичен н ы е возможности использован и я эти х в еществ в практике защиты расте н и й и п р и родной среды " . ( 1 21
« НЕ Т БЕ З ОБРА З И Я В П Р И РОДЕ ! » . . В царстве м и кроорган измов и н ое теч е н и е врем е н и , чем у нас. За одн и сутки мен яется стол ько п око л е н и й , скол ь ко у л юдей за два тыс я ч ел ет и я . Обитател и этого цар ства с п особн ы не тол ько обеспе ч ить м и р п родуктам и п итан и я , пе реваривая и перерабаты вая не съедобные отходы, они способн ы производить горючее из отбросов и в ыделять металл ы и з руд, п ожи- рать н ефть , попавшую в морскую воду, опрес н ять соленые воды . И есл и с помощью ге нети ческой ин женерии многократно увел и ч ить ра ботоспособность и « производитель н ость труда» невидим ых тружени ков, то можно будет наладить производство л юбы х необходимых материалов и веществ, даже так и х , которые п ока рождаютс я только в нашей фантаз и и . 122
«Н ЕТ Б Е З ОБ Р А З И Я В П Р И Р О Д Е ! . . » Кое-кто из вас в праве рез о н н о заметить : в с е э т о прекрасно, н о и вред от н екоторых м и кроорган из мов вел и к . М н ог и е болез н и еще не п обежде н ы . Вел и к и е л юд и «охот н и к и за м и кробам ю)- отдава ли жи з н и , подбирая оружие для борьбы с извеч н ы м и невидимыми врагам и . А в п ром ы ш л е н н ости ? Тол ько ржав ч и н а - коррози я желе за, вызываемая м икроорга н и змами, наносит неисчисл и м ы й ущерб. Что ж, непр ихотл и в ы х аппетиты нев и димок поист и н е неисчер п аемы, но человечес к и й разум с п особен и должен превратить в рагов в союз н иков. Л. Пастер дал тому п р и мер, создав вакц и н ы и з осл абл е н н ы х в озбудителей болезн е й . «Нет бе зобраз и я в п р ироде ! ))- с праведл и во заметил русс к и й п оэт Н . А . Нек расов . Делен и е м икробов н а по лезных и вредн ых, «злых )) и «доб рых)) неправом�р н о . Л юбой и з н и х , вернее, свершаемы й любым и з н и х м и кроби ологичес к и й п роцесс может п р и н ести в одн и х услов и я х пользу, а в других - непоп рави мый вред. И н аоборот. Те же самые неоце н и м ы е помощн и к и , о которых рассказы вал а кадем и к Г . К . С к р я б и н , прои зводящие цен ный белок и з углеводородов н еф ти - п араф и нов и других отходов, п о я в и в ш ись в хран и л и щах нефти и бен з и н а, м огут н а н ести бол ь ш о й у р о н запасам горю ч его. О н и ж е помогают о ч и щать от нефтя н ы х за Грязн е н и й поверхность воды и бе рега рек и морей. П р и меров та ких скол ько угодно. Так что все в руках человечес к и х , а п р ирода н е злонаме р е н н а и быть таковой н е может . М и кроцарство еще тол ько-тол ько п р иоткрыло двери своих вол ш еб н ых дворцов, а уже стало ясно, что богатства там н е и с ч исл и м ы и неисчерпаем ы . Ж и в а я клетка без мер н о п ревосходит л юбой создан ный ч ел овеком завод у н и кал ь н о й отлажен ност ь ю п р оцессов, эконо м и ч н остью и рационал ь н остью. П о- этому н а очереди - биологизаци я р яда важн ых н а правлен и й н арод н о го хозяйства : в недрен и е « кадро вых пром ы ш л е н н ы х м ик р оорган из мов )) , технол о г и и б и ос и н теза, б и о л о г и ч ес к и акт и в н ы х п репаратов . Ес тествен н о, роль науки в таком производстве искл ю ч ител ь н о вел и ка. П оэтому в нашей стране сло жилас ь цел а я сеть исследовател ь с к и х и п роект н о-конструкторс к и х орга н изаци й . Решать биотехнол о г и ч еские проблемы помогают 60 у ч режде н и й Акаде м и и наук СССР и академ и и союз н ы х респуб л и к. Каким бы соверше н н ы м ни было производство, гла в н ы м «действу ющим л и цом)) остается сам м и кро орга н и з м . В нем, в этом н е в и д и м ке, п роисходит т а и нство п ревраще н и я бросовых, а то и вред н ы х веществ в цен н ые, полез н ы е п ро дукты, которые зачастую н е в оз можно п ол у ч ить н и ка к и м и и н ы м и способам и . Поэтому кропотл и в а я работа с м и кроба м и , бактер и я м и , детал ь ное изучение и х , отбор, обу ч е н и е , повышение трудоспособ нос ти, усто й ч ивости к врагам и болез н я м - важней ш а я задача исследо вателей . " . Представьте себе музей, в ко тором экспон и руются н е чучела м а монтов, слонов, к итов и л и редкост ных пт иц, а бес ч ислен н ы е коробки с " . в ысушен н ы м и в вакууме и т ща тел ь н о зап а я н н ы м и в ампулы м и к роорган измам и . Скучно? Н ичего н е раз глядеть? А между проч и м , та кой музей существует , и интерес к н ему у специал истов куда бол ь ш и й , чем к самым завлекател ь н ы м экспозициям драгоце н н осте й . Здесь хранится бесцен н ы й фонд чел ове ч ества : все пре 1;1t ставител и трудово го м и кромира, промышле н н ы е « ПО родьт- штаммы дрожжей , л у ч ис тых и других грибков, бактер и й . Невидимки, уже испол ьзуемые ил и н амеченные к использов а н и ю , и н терес н ы е как и м и.:.л ибо особен ност я м и ,- экспонат ы у н и кал ь н ого музея . 1 23
Очерк 1 1 1 Разпо о бразие фо рм и видо в в ирусов по ис типе пе исчислимо : а - в ир у с о спы , б - в ир у с г ерпеса, в - в ирус гриппа , г - у б ий ц а бактери й - бактерио ф а г, д - ш е стиграппые пр измы в ируса мо заичпо й б олезпи, с - в ир ус кус тис то й карлик о во сти то ма тов , ж - Х - в ир у с кар то ф еля. Представит ь размеры в ирус о в можпо в сравпепии с крас пым кро вяпым шариком кро ви, в к о торы й их для паглядпо сти п оме стили. Ч ерп ы й кружок в це птре с оотв етствует в еличипе само й мале п ь к о й из известпых б актери й ( в елич ипа да па в микро пах ) . Ученые тщательно оберегают со бран н ы е сокров ища. Это и в пр ямом смысле сокров и ща. Л юбая разно видность м икроорга н измов, на йде н на я в nрироде, оце н и вается н а м и р овом на учном ры н ке в 50- 100 долларов, а хорош и й пр омышле н- н ы й штамм п одскак и вает в це н е д о милл ионов долларов. Чтобы « в ывестю) его, н ужн ы долгие годы кро п отл ивого труда больших н а уч н ы х коллективов. Так что каждая ам п улка в коллекции - на строгом учете в па мяти электро н но-вы чис - 1 24
«Н Е Т Б Е ЗО Б Р А З И Я В П Р И Р О Д Е ! . . » лительной машины и тщательно ох ран яется . М ашина « помнит» био его графию каждого штамма, особенности, результаты всех про верок. Такие музеи создан ы в советских и зарубежных центрах. В Академи и н аук СССР собирают всеобъемлющую коллекцию известных м икроорган измов, чтобы п ре доставить исследовател ям богатый выбор дл я творчества" . Поскольку задача биотехнологи ческого творчества состоит в том , чтобы не просто с готовностью при мен ять природные способности жи вой клетки, а переделывать, при спосабл и вать ее с наиболь шей поль зой для производства, н адо, в пер вую очередь, детально познать все тон кости устройства одноклеточно го существа, его п роисхожден ие, привычки, особенности. Иначе при передел ке оно может п отерять «лицо>>- кое-что из своих цен н ы х качеств, например, жизненную цеп кость. «Родословная» нужна не только эксп ериментаторам-микро биологам. Она важна и для лучшего пониман и я происхожде н и я и рас цвета жизни на земле, дл я быст рейшего обнаруже н и я потенциаль но полезных форм среди тех м икроорган измов, кто еще остается таинствен ным незнакомцем . А ведь таких, как пол агают ученые, во мно го раз больше, чем и звестных че ловеку. Одноклеточ н ы е м и кроорган из мы - это кор н и всего грандиозно го древа жизни, верш ину которо го представл я ет человек. Ч ислен ность, плодовитость нев идимок п ре восходит все живое, а функци и служат опорой и основой всего круговорота веществ на планете. Возвратимся вновь к живой клет ке . Чем отл и ч ается самостоятельно живущая клетка - ми кроб - от кле ток других живых существ , а в чем похожа на них? Употребл я я назван ия «дрожжи», «бактери и » , мы бес сознательно объедин яем их пон я тием «микроорган измы» и пол- · А такуе т п ож ира т ель бактер и й - бактер и офаг . н остью урав н иваем . Но о н и от н юдь не сходны, и, хотя, возмож но, имеют меньше разл и ч и й , чем п редстав ител и млекоп итающи х, все же разл и ч и я эти существен н ы . Так что царство не еди н о. Бактери и гораздо старше своих м икроскоп и ческих собратьев грибков-дрожжей . Разн ица в возрасте отразилась н а их строе н и и , п оэтому о н и относ ятс я к разным н адцарствам. Бакте р и и и синезеленые водоросли - предста вители н адцарства п рокариотов, су ществ, не обл адающих пол ностью оформленным ядром ( « кариос » ) клетк и . Дрожжи, к а к и в с е грибы, вхо д ят в н адцарство высш и х растен и й и животных, т а к н азываемое н ад царство эукариотов . Это значит, что и х клетки имеют исти нное ядро, защищенное сложно устроенной Клетки оболочкой - мембраной. эукариотов отл ичаются от прока риотов такими замечательными об разованиями, как митохондр и и энергети ческие стан ции, хлоропла сты у расте н и й . При помощи митохонд десятков ферментов р и и преобразуют энергию дыха ния кислородом (окисление) в энер АТФ - своеобраз молекул гию ных аккумул яторов, достав л яющих энергию в любой участок клет ки. Первые, п о-в идимому, обитате л и Земл и - анаэробные бактери и , 1 25
О чер к 1 1 1 о которых вам уже рассказ ы в ал и , был и , к а к можно догадаться, прока р и от ам и . И ногда и х даже называют « п ротоклет к и » ил и «архибактер и и » . М и л л и арды л ет ушл и н а т о , чтобы в ходе эвол юц и и , путем случай н ы х п роб и ош ибок, и з п ростей ш и х прокариотов могл и раз в иться более высокоорган изован н ы е одн о клеточ н ые. В борьбе за выживан ие постепе н н о обретал ись н о в ы е ка ч ества и ф у н к ц и и , п о я в л я л и с ь н о в ые фермент ы , пока н е свер ш ил с я ре в ол ю цион н ы й переход к фотос и нте зу и живые орган и з м ы стал и « П и таться » неисчерпаемой энергией С ол н ца. Они расщеп л я л и с п о мощью сол н е ч н о й энерг и и воду и получали водород, н еобход и м ы й дл я с и нтеза орга н и чес к и х веществ на ос нове углекислого газа. П р и этом молекул я р н ы й к ислород п о ступал в атмосферу. Некоторы е бактери и , приспособ и в ш ись к усло в и я м ж и з н и со свобод н ы м кисло р одом , превратил ись в с и н езеле ные водоросл и - циан еи, котор ы е гораздо более эффект и в н о сн абжа ли атмосферу Земл и кислородом . Столь знаменател ь н ы е событ и я про изошли примерно три с неболь ш и м м и л л и арда л е т назад. Во вся ком возраст остатков таков случае, перв ых и звестн ы х л юдям цианопо доб н ы х , найден н ы х п р и раскопка х в Южной Африке. В ж и в о й п р ироде сосущество в а н и е - с имбиоз - весьма распро стра н е н н ое явление. Один орга н изм п осел я етс я в другом иного в ида, и оба п р и носят друг другу пользу. Некоторые ученые с ч итают, что и м е н н о с имбиоз л ежит в осн о ве скач ков в эвол юциОН !i ОМ преоб разова н и и живой матери и . В шутли в о й форме комментирует подобное событие оди н и з сторон н иков этой ги п отезы доктор б и ологи ческих на ук Т. И. Тихон енко : « " .Как утверждают злые я з ы к и , с у т ь симбиогенет и ч еской г и п отезы сводится к тому, что некий древ н и й амебов и д н ы й орган изм вознаме- рился скушать брод и в ш ую р ядом с п ирохетоп одоб ную бактери ю , но доб ы ч а оказалась ему н е по зубам . Проглотить-то он ее прогл от ил, н о переварить не смог . " С другой сто роны, с п и рохето подоб ная бактер и я н е сумела освободиться и з пленив шего ее существа, в результате чего поневоле возн и к компромисс, то есть симбиоз, и ме н уем ы й эука р и от и ч еской клетко й " . » М и кробная клетка, к а к бы мала она н и была, п редставл яет собой н еобы кновенн о сложну ю открытую живую с истему, котора я неп ре р ы в н о обмен и вается веществами и энергией с окружающей ср�дой . В этот крохот н ы й орга н и зм п р ирода вложила всю гармон и ю, все вол шеб н ые н от ы , по которым разыгры в аетс я симфон и я ж и з н и . Тон ч а й ш и е хим и чес кие и физи ческие методы исследован и й , вы сокая тех н и к а увел и ч е н и я ( м и кро ско п и рован ие) позвол и л и узнать м н ого неожидан н ого и н ового о рол и и функци ях в н утриклето ч н ы х структур. В ыдел я я существен н ы е разл и ч и я в устройстве прокариотов и эукар иотов, н адо не 'з абы вать то. общее, что и х объед и н яет, что род н и т все орган и з м ы , н а каком бы высоком уровне раз в ит и я он и н и находил ись : о б и х общем проис х ожден и и и общем, ун иверсаль н ом дл я всех, коде н аследствен ности . Безусловно, одноклето ч н ы й орга н изм в ы н ужден сам выполн ять по давл я ющее бол ь ш и нство функци й , обесп е ч и вающих е г о существова н ие. В м ногоклеточ ном же проис ходит « раздел е н и е обязан н осте й » . Т а к , клетке мозга ж и в от н ого не п риходится самой забот иться о по ступл е н и и п итател ь н ы х веществ и л и к ислорода. Э т у нелегкую работу в ы п ол н я ют други е специал и зиро ван н ы е клет к и . У клеток п е ч е н и совсем и н ые зада ч и и обя з а н н ости, чем у клеток глаза" . Но глав н ы й п р и н ци п , гл авные п роцессы : с и н тез собствен н ы х белков по програм мам нуклеиновы х кислот, передача 1 26
«Н ЕТ БЕ З О Б Р А З И Я В П Р И Р О ДЕ ! .. » н аследств е н н ы х п р и з н аков - всегда одн и и те же у п ростей ш е й бакте р и и и у высшего творен и я п р и ро ды - человека. Вот тут-то и н астал момент вспом н ить о еще одном, может быть самом м н огон асел е н н ом п од царстве м и кровсел е н н о й - о в и ру сах . Мы п р и в ы к л и н и ч его хорошего от н и х не ждать. По.;лат ы н и - это «ЯД», древ н и е греки называли так в и р усом яд. Позднее змеи н ы й имен овал и вещества, которые мо гут п р и н ест и болезн ь и смерт ь . Родн ая сестра м и кроб и ол о г и и - в и русологи я появилась в 1 892 году, когда 28-лет н и й учен ы й Д . И. И в а новск и й доложил н а заседан и и Р осс и йской Академ и и наук о с в о и х исследован и я х мозаи чной болез н и табака. В и русами назвал и мельчай ш их возбуд ителей заболеван и й . О н и х почти н и чего н е было известно. Ныне открыты и изучены м н огие сот н и в и русов, в ы яснено, что т р и ч етверт и всех и з вестных бол езней вызываются и м и . В и русы в ыдел и л и , изучил и их строе н и е , научились бо ротьс я с некоторы м и из н их , н о в с е еще идут дискусс и и , « КТО» и л и « ЧТО» это : вещество ил и существо. Казал ос ь б ы , стран н ы й вопрос. Н о эти коварн ые, н е п р и ру че н н ые п о к а образован и я и в самом дел е н е в п исывались н и в к а к и е правила. Конечно, в и русы н еотдел и м ы от живой п р ироды, обл адают измен ч и востью и приспособл яемостью, раз м н ожаютс я , что заставл я ет отнести и х к обособл е н н о й форме живой матер и и . С другой же сторо н ы , он и л и ш е н ы гл а в н ы х п р и з н аков ж и вого : у них н ет обол о ч к и клет ки - мембран ы, разм н ожаться са мостоятель н о, в изол ирован н ом в и де, о н и н е могут н и н а каких даже самых аппетитных п итател ь н ы х составах, н е могут сам и с и нте з и ровать собствен н ы е бел к и , то есть пребывают как бы «вне ж и з н и » , за что некотор ые ученые н азвал и их « ядов ит ы м и драгоцен ными кр истал л ам и » , кот орые в лю- бой момент могут вернуться к ж и з н и и п ревратить ся в уби й ц. П р и первом з н акомстве с уст ройством жи вого м ы говор и л и , что, сколь точ н о н и отмер я й , н и смеши вай все исход н ы е х и м и ческие ве щества - угл евод ы , жиры, бел к и и другие соед и н е н и я , вход я щ и е в жи вую м ате р и ю,- н и когда н е полу ч и ш ь живое расте н и е и л и существо. Абсурдно было бы предположить н е что подобное. Даже и з цел ь н ы х составл яющих н е собрат ь . Поп ро буйте-ка обы ч н ое я й цо раздел ить н а белок и желток, а п отом со брат ь . П ол у ч ится п ол уфабр и к ат для омлета - н е бол ее. Недаром ма л е н ь к и е дети во всем мире поют песенку о том, как «ВСЯ королевская рать не может шалтая-болтая со брат ь » . Т а к в от с в ируса м и в с е обстоит иначе. И х как раз «собраты> можно. В 1 957 году н емецк и е исследовате ли Г ирер и Шрамм разру ш и л и в ирус таба ч н о й моза и к и , в ыдел и л и е г о составн ы е ч аст и - нуклеиновую кислоту и белок - и смешал и , вновь п олу ч и в ж и з н ес п особ н ы й в и рус со всем и его биолог и ч ес к и м и с войствам и . П озже другие у ч е н ы е ста в и л и так и е опыты : смеш ивал и нукл е и н овую к ислоту одного в ируса с бел ками другого и получал и в п ол н е жизнеспособ н ы й гибрид, да ющий п отомст во. Оказалос ь , что такого рода гибриды образуютс я и естествен н ы м п утем, играя, п о всей в ид имост и , важную р ол ь в раз в и т и и хрони ч ес к и х в ирус н ы х бол ез н е й . Друг и м и словам и , в и рус ы суперп араз иты, дости г ш и е к р а й н е й степе н и п араз и т и зм а : он и могут существовать и размножаться толь ко в клетке другого орган изма, п р и ч ем н е играет рол и , есл и клет ка окажетс я нежиз н ес п особ н о й - с удал е н н ы м ядром . Дл я в ирусов достаточн о даже изол иров а н н ы х м итохондри й . Особ ы й раздел в и русол о г и и так и н азываетс я : п р име н е н и е субклеточ н ы х с истем дл я изучен и я репродукции в и русов . J 1 27
О черк 1 1 1 К летка-хозяин пр отив с в ое й воли в ынужде на у кр ывать бр о не й- с тенко й по т омс тво в то рг шегося в н е е в ир уса. Размн ож ив ши с ь , зараз но е с од ержим о е бы стр о переселит ся в с о с е дние здо ро в ые клетки . О ((суперпаразити зме>> свидетель ствует и всего одна однонитие вая нуклеиновая кислота - РНК или ДН К. Вирус не в состоян и и самостоя тельно орган и зовать производст во необходимых для себя же белков. Впервые в живом мире обн аружено это отклонен ие от нез ы блемого ге нетического канона именно у в и ру сов . Из всего этого очевидно, что в и рус ы не в ерно было бы с читать п росто н аиболее элементарной ф ормой живой матер и и . Н и с каки- ми, даже самыми микроскопи чески ми существами и х и сравн и вать нель зя. Кстати, они мен ь ше всех: разме ры вирусов колебл ются в пределах от 1 О до 300 миллионных долей миллиметра. Загл януть в тайны строе н и я вируса и наглядно вос создать устрашающую симметрию форм, впрямь напоми нающую при чудл и в ы й кристалл, способный к самосборке, удалось только с по мощ ь ю электронных микроскопов. Успехи в развитии микрофотогра- 1 28
«Н ЕТ Б Е ЗО БР А З И Я В П Р И РО ДЕ ! " » Со б ств енну ю ш ипоо бразну ю ( одежду " в ир ус с брас ывает , пр ни ая в кле тку . � и к ф и и позвол и л и ф и ксировать на пленку мел ь ч а й ш и е структурные детал и в и русов, увел и че н ные в 500000 раз. Но эти крохотул и даже в мире невидимок распростр анен ы на Зем ле, как н и кто. О н и вездесущи, все прони кающи и, несмотря на мин иа тюрность, часто в ы ходят победите л я м и из поед и н к а с ог ром ной, в срав н ен и и с н и м и , идеал ь н о устро енной кл етко й . Человек начал изучен ие в и русов как врагов, чтобы найти спос обы борьбы с н и м и и л и защиты от н и х . Это п он ятно. Трудн о даже пере ч ислить все т яжкие болез н и и кол и чество жертв, пов и н н ы в которых в и русы . Казалось, п еред ними тре п ещет все живое . Болезн и р асте н и й , насекомых, жи в отн ы х . . . А бо лезни л юдей? Оспа, чума, полиоми елит, злокачествен ные п ерерожде н и я, наконец п ресл овут ы й гр и п п . С в рагом, конечно, н адо боротьс я, и это н ебезус п е ш н о делаетс я . Возь1 29
Очерк 1 1 1 мем дл я пр имера всем ненав ист ный гри п п . « Е с л и м ы л е ч и м г р и п п , о н про ходит за семь д н е й , а есл и н е л е ч и м , длится целую н едел ю ! »- в этой горькой шутке одн ого и звест н ого эпидемиолога правды бол ьше, ч ем хотелось б ы . Почему? К азалось бы, п одум аеш ь, грип п ! Кто ж не з н ает, что это такое. Почти кажд ы й болел, да н е п о од ном у разу. И все же как плохо себя н и чувствуешь, через т р и-четыре д н я температура с н ижается, а ч ерез н е дел ю, есл и н ет осложне н и й , и в самом дел е в ыздоравл иваешь . Н е п р и ятно, н о н е так уж страш н о . П о ч е му же и м е н н о гр и п п з а н я л п р о ч н ое и к т о м у же н е п оследнее место в ряду заболеван и й , с ч и т а ю щ и х с я социал ь н ы м и и госу дарст вен н ы м и п роблемам и : « п ро стой » гр и п п р ядом с сердеч н о сосудистым и н едугам и и раком ! П о ч ему, н аконец, в поед и н ке « Че л овек п ротив г р и п п а » победа пока ч асто остается за п ослед н и м ? На все «сто т ыс я ч п о ч ему» , связан н ы х с г р и п пом, ответ ить н е п росто, н о кое-что уже сказать мож н о " . Прежде всего потому, что забо л евание это м ассовое, от которого одновремен н о страдает огром ное . ч исло л юдей н а всех конти нентах . И отн юдь н е стол ь безобидное, как может показатьс я . Так с ч итают специал ист ы . Дело в том, что забо лев шему гри п п ом угрожают две опасност и . Первая - общая л и хора доч н а я реак ц и я н а зараже н и е в иру сом, ч ь и токс и н ы действуют не тол ько на с л и з истые обол о ч к и , н о повреждают ж и з н е н н о важн ы е органы - с осуд истую и централь ную нервную системы, сердце. Вра чи хорошо знают, что даже после легкой формы заболеван и я н екото рое время сохра н я ются сосудистые н арушен и я (д исто н и я ) , чувствуетс я общая сл абость, с н и жается работо с п особ н ость и у ф из и чески креп ких л юдей . Т яжелее стократ п ере носят недуг ослабл е н н ы е хрони чес- к и м и заболеван и я м и , п ож и л ы е л ю д и , дет и . Вторая оп асность - бактериаль н ы е осложн е н и я , поскол ьку в и рус гри п п а резко с н ижает защ и т н ы е с и л ы орган и зма - его и ммун итет. Уже в первые дн и заболеван и я м огут возн и к н уть га ймориты, воспа л е н и я среднего уха. Обостряют с я хрон ические н едуги, раз в и в а ютс я брон хиты и даже п н евмон и и . Как горько сетуют меди к и : грипп в ы н о с и т п р и говор, а бактер иал ь н ы е и н фе к ц и и п р и водят е г о в испол нение. - Грипп сегодн я - ед и нствен н а я и н фекци я , с п особ н а я вы звать н е тол ько э п и дем и и , но пандем и и , когда вол н а заболеван и й катится, словно грозное цунами, п о стра н ам и может за короткое время п оразить от ч етверти до полов и н ы планет ы . Н а н ос и м ы е н асел ен и я убытк и исч исл я ются в м ил л и ардах, а п осл едств и я дл я здоров ь я в ооб ще невозмож н о измерить в денеж н ы х еди н и цах,- говорит д иректор Всесоюзного и н ст итута г р и п п а М и н здрава С С С Р , о п ыт н ы й эпидем и олог профессор Г . И . Карпух и н .- Хотя показател и смертн ост и от г р и п п а в м ире срав н ител ь н о невел и к и (0,01 0,02 % ), все же жертв достаточно, как правило, среди детей первых л ет жизни и лиц пожил ого в озраста. Особе н н о ощут имы п отери от в и рус н ы х и н фек ц и й дыхател ь н ых пу тей во врем я регул я р н о п овторя ющихся эпидем и й . Как стих и й ное бедствие, он и н арушают н ормаль ный распорядок жизни п ораже н н о й стран ы . Концентриров а н н ы е удары г р и п п а по здоровью и экономике хоть и кратковреме н н ы , н о весьма ощут и м ы . За 3-4 н едел и г р и п п в ы вод ит и з с т р о я в л юбой м ес я ц с декабр я по март до 3 0 , а то и до 50 % взрослого и детского н аселе н и я бол ь ш ого города. Как же так - справ ил ись с чумой, ос пой, пол иом иел итом, почт и укро т и л и корь, а гр и п п все еще бес ч и н ствует на планете? 1 30
" н е т Б Е ЗО Б Р А З И Я в П Р И Р ОДЕ ! .. » - Дело в том, что г р и п п рази тел ь н о отл и ч аетс я от всех других человека болезней в и русных уди в ител ь н ы м непостоянством воз будител я . Тол ько этот в ирус с посо бен с и н хронно обновл ять свой мо л екул я р н ы й «обл и к » н а всех терри тор и я х зем ного шара, а его зара жающая с п особность резко колеб л етс я в раз н ы е периоды эп иде м и и,- объяснял академ ик АМ Н СССР А . А . Смород и н цев, оп ыт ней ш и й специал ист п о п ротивовисоздатель русному иммунитету, вакци н н ы х многих эффекти в н ы х преп аратов по акт ивной защите от кл ещевого энцефал ита, пол ио м иел ита, э п идеми ческого пароти та, кор и , автор «ЖИВОЙ» вакци н ы п роти в г р и п п а .- Мн оголетнее п ара з и т и рован ие н а людях п ривело к н еобы ч а й н о гибкому п р и с п особле н и ю возбудител я г р и п п а ко в с я к и м воздейств и я м н а него антител и други х защитных факторов перебо л е в ш и х л юдей . У в и руса п роисхо дит селекци я , отбор все новых и новых вариантов, более устой ч и вых к ант ителам кров и, к секретам дыхател ь н ы х п утей , к а п п арату защиты клетк и . Поэтому не тол ько искусствен ная вакци нация, н о и перенесе н н ое заболев а н и е не всег да в состоян и и создать заслон и н фекци и . И з-за этого - частая п о вторяемость заболеван и й , унося щая, п о д а н н ы м стат ист и к и , из нашей жиз н и несколько лет " . С л и ш ком вел ика дань в и русу гри п п а . Имен н о поэтом у специал ис ты именуют его «корол ем вирусов » , уд ел я я ему вн им ание, поист и н е до ст ойное королевской особы . Не бу дет преувел и чен ием сказать, что се год н я в и русологи, эп идемиолог и, мед и к и накоп и л и о ви рус е гр и п п а сведен и й бол ь ше, чем о в с е х дру гих возбудител ях и н фекци и , вместе взятых. Что же и звестно н ауке и каковы шансы одержать верх в п о еди н ке с коварным прот и в н и ком? Атака на грипп п одготовл ялас ь п остепен но, хотя в истор и чес к и х измере н и я х и весьма стрем ител ь н о . Как только было установлено ви русное п роисхожде н и е г р и п п а и открыт перв ы й его в и рус « А » , исследова н и я этой и н фекции и е е возбудителей непреры в н о расш и рялись . В конце 40-х годов в Ве в л и кобритан и и - в Л о н доне и С ША - в Атланте создал и два Международ н ы х центра п о г р и п п у . О н и действов али в тесном контак те с Национал ь н ы м и центрам и разных стран, к оторым п одч и н ялась сеть опорных баз в круп н ы х горо дах разл и ч н ы х рег ионов зем ного шара. Национал ь н ы й центр п о грип пу в Советском Союзе н а ч ал рабо тать в 1 957 году в Мос кве п р и И нст итут е в и русологии АМН СССР. С 1 97 1 года функци и единого цент ра стра н ы п о гриппу и О Р З п ере шл и к Всесоюзному институту грип п а М и н здрава ССС Р . Центр контро и л ирует коорд и н и рует эп иде м и ологи ческие, в ирусологи ч ес к и е и и м му нологи ческие исследова н и я бо лее чем в 60 городах стра н ы . " . В Л е н и н граде, у нового п рос пекта Медиков, в крас и в ом совре мен н ом здан и и , окружен ном топо лями, и находится Всесоюзн ы й и н ститут гри п п а . Основная задача и н ст итута - объед и н ить, скоорди н ировать и возглавить усил и я со ветской медицинской н ауки и здра воохранен и я в п оед и н ке « ч ел овек прот и в гр и п п а » . В отделах и н ауч н ы х лаборатор и я х и щут н ов ы е и сопоставл я ют найден н ы е у ч ен ы м и стра н ы и и х зарубеж н ы м и коллега ми средства профилакт и к и , д и аг н ост и к и и лечен и я . С помощью математ иков и к ибер н ет и ков, авто матизирован н о й и н форм аци о н н о в ы ч исл ител ь н о й системы здесь рас сч итывают, где, н а каком нап равле н и и можно ож идать вылазки врага, куда направить гл а в н ы е силы, чтобы ее отбить. Здесь ч астые гости специал исты из социал исти ческ и х стран, Вел и к обритан и и и Канады, С Ш А и Фран ц и и , ФРГ и И н д и и , да ' же из далекой Австрал и и . Ведь 1 31
Очерк 1 1 1 гри п п н е · п р и з нает гра н и ц, дл я него моря и океа н ы не препят ствие. Документал ь н ы е сведен и я о пан дем и ях гриппа имеются с 1 5 1 0 года. С тех пор гри п п не раз п оражал всю план ету. Но, безуслов н о, самым страшным и губител ь н ы м нашест в и ем с ч и таетс я « испан ка>> пандем и я , начавшаяся весной 1 9 1 8 года н а западе Франци и , п родол жавшаяся 1 4 мес я цев и охват и в ш а я , б е з . п реувел,и.ч ен и я , кажд ы й н ас е л е н н ы й л юд ь м и уголок земного ш ара. Переболело более ·. 500 м ил л и онов человек; 25 м илл ионов бол ь ше, чем в первой мировой в о й не,- погибло. С о временем уве л и ч илось ч исло « В ЗРЫВОВ» заболе в аемост и , которое возрастал о и з за все более тес н ы х контактов боль ших масс л юдей в городах . Осен ь - весна - особ е н н о н а п р я жен н ое в рем я дл я специал истов и н ст итута. И з разных городов , из раз н ы х климатичес к и х зон стр а н ы , г д е находятся 60 опор н ы х пунк тов - своего рода «бастионов п р о т и в г р и п п а» , - каждую н едел ю , а и з 1 7 городов ежедневно п оступ ают в Л е н и н град сведен и я о том , с к ол ь к о человек перв и ч н о обрати л ос ь к врачу с проявлен и я м и грип п а ил и г р и п п оп одоб н ы х заболева н и й . А в конце каждого мес я ца п оступают дан н ы е л аборатор н ых исследован и й , которые п озвол яют «узнать врага в л и цо» . В ответ н а правл я ютс я и нструкци и и реко мендаци и о том , какие меры н адо п р и н ять, оказы вается нужная по мощь. Л е н и н градс к и е эпидем и ологи и к ибернет и к и разработал и ориги н ал ь н ы е м етоды , позвол яющие на основе получаемых дан н ы х о воз н и кн овен и и первых случаев г р и п п а в стране смодел и ровать и оч ень точ н о расс ч итать скорость и нап рав л е н и е п оследующего дв ижен и я вол ны заболеваемости или эпидем и и , к а к бы быстра о н а н и была, п о всем круп н ы м городам СССР. А з н а я , когда нач и н ается всп ы ш к а гриппе�, можн о более разум н о и эффекти в но распредел ить государ ственные средства, маневрировать ими. Легче м об и л изовать с и л ы дл я блок ировки эпидем и и . Ведь ме роп р и я т и я против гриппа стоят очень дорого. Проводить и х ран ь ш е чем нужн о - накладно и бессмыс л е н н о , а всего н а оди н день поз же - бесполезно. О дости гнутой точности п рогноза м ожн о судить хот я бы п о тому, что н ачало еди н и ч н ы х и массовых заболева н и й в л юбом городе стра н ы сейчас п редсказывают за два т р и д н я ; отдел общей эпидем и ол о г и и и кибернет и к и и н ститута опре дел яет даже кол и ч ество л юдей, к о торые заболеют завтра, п осле завтра, через четверо суток. - Когда я с о своими перфолен тами п риехал а в п е р в ы й раз в М и н с к и сказал а : вот н аш и расчеты, п р и н имайте м ер ы , через п ять дней у вас будет стол ько-то бол ь н ых, мне, ч естно говор я , было стра ш н о вато,- говор ит доктор медицин с к и х наук В . И . И л ь е н ко. - Н о все п одтвердилось без малей шего рас х ожден и я . В В и л ь н юсе в эпидем и ю , когда с в ирепствовал в ирус « В и кто р и я » , все уже прошло куда п р още. Н а основе расчета н а ЭВМ мы пре дупред и л и , что кул ьм и н а ц и я забо леваемости н аступ ит через дес ять дней . Городск и е власти реш и л и п римен ить с а м у ю простую меру : продл и л и на десять дней ш к ол ь н ы е каникул ы , обезвред и в т е м самым глав н ы е очаги распространен и я эпи дем и и , не дал и ей развитьс я . Н о в с е эти меры, к а к бы эффек т и в н ы они ни был и , м ожно н азвать оборон ител ь н ы м и . А как с н аступа тел ь н ы м и ? Есть л и возможн ость уберечься от бол езн и даже п р и контакте с очагом зараже н и я ? И л и г р и п п и в самом деле н еодол и м , и п р а в ы б ы л и древ н и е астрологи, которые связы вал и эп идем и и этой болез н и с вл и я н ием оккул ьтной си лы, ис ходящей от звезд? 1 32
«Н ЕТ БЕ ЗО Б Р А З И Я В П РИ Р ОДЕ ! .. » Чтобы пон ять всю глуб и н у к о варства гриппозных « корол е й » , а их н ескол ько, надо немного позн ако м иться с особен н остям и эт их стран н ы х обитателей н ашей планеты . С 1 939 года, с появлен ием элект ронного м икроскопа, ученым н ако нец-то удалос ь ув идеть отдел ь н ы е ком п он енты в и руса. Н о основ н ы е откры т и я п р и ш л и благодар я тон ким методам б и ох и м и и . Конструкция л юбого в ируса, к а залось бы, п рост а : в защитной «одежде» из бел к а закл ючено наследствен н ое вещество - геном. «Одежда» н е тол ь ко охран яет его, но и обес п е ч и в ает прон и к н ов е н и е в чужие п оражаемы е клет к и . В и р у с гриппа п р и кл е и в ается к стен к е клетки, раствор яет ( и л и взламы вает) ее, чтобы в прыснуть в н у·т рь с одержимое - в и русн у ю РНК и л и Д Н К , которое и явл я етс я « зараз ным началом>> . Н о гри п п на т о и « королы> , чтобы особо изощриться в своем парази т изме. - В н астоящее время м ы п о ч ти пол н остью рас ш ифровал и структу ру «Заражающего начала»- генома в и руса гри п п а . Можно без п реуве л и ч ен и я утверждать, что ни один и з в ирусов, п оражающих человека, н е изучен так п одробно. И тем н е менее еще много п робелов в н а ш и х знан и я х , а по некоторым ко ренным проблемам ведутс я острые д искусс и и и н е сформ и ровалось еди н о й точки зрен и я,- разъ ясн я ет п ол оже н и е дел академ и к АМН СССР В. М . Ждан ов.- Геном в и ру са гриппа у н и кален, так как состо ит и з 8 ф рагментов РНК, кажды й из которых явл яетс я отдел ь н ы м ге ном. Их можно как угодно пе реста в л я т ь - « перетасов ы ва т ы> - в л юбом порядке и последователь ност и , все равно всегда сохра н и тс я п ол н ы й набор. Возможно, этим от части объ я с н я ются бесконе ч н ые ва риаци и гри п п а , дру г и м и словами, разные эпидем и и вызывают не раз ные в ирусы, а варианты одного и то- го же, и им нет числа. Три из вось м и генов код ируют производство бел к а - фермента полимеразы, обес п е ч и в ающего транскри п ц и ю - с ч и тыван и е записи о необходимом н аборе аминокислот, и «тиражи р о ван и е»- реп л и кацию новых б ел ко в . Два ген а кодируют в н утрен н ие бел к и и в н еш н и й «футл я р » , упаковку или « одежду» восьм и ч л е н н ого ге нома, а еще два кодируют поверх ностные детал и «одеждь1»- особые бел к и (ферменты), обеспеч и ваю щие соед и н е н и е в и руса с клеткой и п р он и к н овен и е н аследственного вещества сквозь оболочку клетки хоз я и н а. Своеобраз н а и стратеги я в и руса г р и п п а . Е го геном и меет так н а зываемую негат и в ную п ол яр н ость, то есть н е м ожет непосредствен н о кодировать с и нтез бел ка. П оэтому п осле вторжен и я в клетку он фун к цион и рует в двух н аправлен и я х : стимул и рует « переп исывание» са мого себя - с и нтез и н ф ормацион н ы х Р Н К дл я специф и ч н ы х в и рус ных бел ков, а также п одстеги вает с интез клеточ н ы х и н формацион н ы х Р Н К, п р и чем буквал ь н о т у т же и х « обезгл а в л ивает » , чтобы « п р и ш иты> от дел е н н ую головную ч асть к сво им собствен н ым и н ф ормацион н ы м РНК, которые затем попадают н а р и босом ы , где полным ходом с и н тезируетс я в ирус н ы й бел ок. После этого клетка-хоз я и н , вме сто воспроизводства н еобход и м ы х для собствен н ого существован и я веществ, мобил изует свой слож н е й ш и й аппарат на репроду к ц и ю н овых и новых в и русн ы х ч астиц, к о торы е тут же захватывают сосед н и е клет к и . Каждые ш есть часов ч исло в и русов увел и ч ивается в тысячу раз, а через 48 ч асов после поп адан и я в человечес к и й орган изм прояв л я ются первые с и мптомы болез н и . Есл и разм н оже н и е будет продол жаться бесконеч н о, орга н и з м п о гибнет . . . Н о , к а к уже говорилось, смер тел ь н ы е случаи н епосредствен н о 133
О черк 1 1 1
« Н ЕТ БЕ З О Б Р А З И Я В П Р И Р О ДЕ ! . . » от гри п п а редки . Гибнут от ослож н е н и й , от обострен и я сопутствую щих заболеван и й . З н ач ит, есть что то, что п р ирода п одготов ила, чтобы обуздать л а в и н ообразное разм н о жен ие захват ч и ка. Это «Что-то» иммун итет - защитные средства клет к и и орган изма. О н и прояв л я ются в в иде и нтерферонов бел ков, специал ь н о в ырабаты вае м ых, ч тобы л и шить в и рус возмож н ости размножаться в н ут р и клет к и , защи щают ее т е м с а м ы м о т гибел и и з н утри , а также антител, котор ы е действуют как бы и з в н е - предот в ращают распростран е н и е в и русов от клетки к клетке через окру жающую среду. Т яжесть течен и я болезн и в о м н огом зависит от с п о соб н ости орга н и зма в ы рабатывать и н терферон и ант итела, которая колебл етс я от возраста и общего состо я н и я здоро в ь я . Охлажден и я , нервные п отрясен и я, н едостаток ви там и н ов и плохая ф и з и ческая тре н и рова н н ость, куре н и е, алкогол ь , другие н еблагоп р и ят н ы е факторы с н ижают, а то и совсем у н и чтожа ют защитные возможности . Иммун итет можно стимул и ровать и с кусствен но, вводя в орга н и з м уби т ы й и л и ослабл е н н ы й в и рус. Н а этом ос нованы п р и в и в к и и вакци н а ци я . Заражен н ы й орган изм н ач и н ает создавать а н т и в и русн ы й иммун итет как раз прот и в «одеждь1» в и руса его бел ков, точн ее, против деталей «одеждь1»- п оверх н остных бел ков. Если их у н и чтожить, «гол ы й » в ирус, его «заразная сущность»- геном не сможет попасть в клетку. П оэтому и удалось с п омощью вакцин и с ы в ороток справиться с осп о й и корью, бешенством и пол иомиел и том . С гр и п пом все оказалось знач ител ь н о сложнее. Шаров идн ы й в и рус, как правило со сред н им раз мером 80- 1 20 н а н ометров, и м еет н а н аружн ой обол оч ке-мембране в ыступ ающие «детал и»- гл икопро теидные структуры, своеобра з н ы е ш и п ы дл и н о й в 8-1 0 и тол щиной в 4-5 нан ометров . Этих ш и п ов бывает до 900 штук. У г р и п п а и х образуют д в а гликоп ротеида, к ото рые называют услов н ы м и с и м в ол а м и « N » ( нейрам и н и даза) и « Н » (акти в н ы й гемаггл юти н ) . Жесткая двухслой н а я в н еш н я я мембрана в и руса гораздо более усто й ч и ва, ч ем плазмат и ч еская м ембрана клетк и . Истор и ч ес к и первым б ы л изучен « Н »- гемаггл ю т и н , так как сначала обн аруж и л и с п особ н ость гр и п п оз н ого в и руса п р и крепляться к п о верхности крас н ы х кров я н ы х кле ток - эритроцитов цы п л ят , морск их с в и н ок и человека и быстро рас п равлять с я с ее оболочкой и своей собствен н о й . Предполож и л и , что за п роцесс «раздеван и я» ответствен акт и в н ы й « Н » . Однако вскоре в ы яс н илось, что важн ую рол ь и грает « N »- нейрам и н идаза. П р и чем соот н о ш е н и е ш ипов « №> и «Н» у р а з н ы х в и русов гр и п п а бь1вает самым раз л и чным. Вот это разн ообразие вариантов н е тол ько генома, н о и деталей «одежды» и делает гри п п королем среди в и русов, т а к дол го остающегос я непобед и м ы м . Им мун итет, в ырабатываем ы й орган из мом прот и в ч уждых, враждеб н ы х клетке бел ков « N » и « Н » , о ч е н ь стоек и м о г б ы н авсегда защитить ч еловека от этой болез н и . Есл и бы " . есл и бы «Одежда» была всегда той же самой и строго .с пецифи ч н ые и нтерфероны и антител а всег да узнавал и бы врага. К вел и кому сожал е н и ю , «Н» и « N » измен я ются, и п р и том так хитро и провор н о, то од и н , то д ру гой, то оба сразу, что у ч е н ы е н е успевают рассч итать и спрогнозиро вать эт и загадо ч н ы е «переодева н и я » . Где же клеткам угнаться за так и м ловким м ас карадом ! И не только клеткам . Вакцину-то тоже готовят из уже зн акомого в и руса, а новую эп идем и ю от крывает за маск и рован н ы й , усп ев ш и й «смен ить одежду» . Вел и к л и « гардероб» у в и руса гри п п а� Где он хранит и откуда 1 35
О ч ер к 1 1 1 берет свои « Одеждь1»? т О Ч Н ОГО от вета на эти н асущне й ш н е дл я п о беды в поед и н ке с г р и п п ом вопро с ы пока дать н ел ь з я . П оскол ьку мех�н изм ун икальной нзмен ч ивостн г р и п па, н е нмеющнй аналогов сре д и всех других в ирусов, до снх пор полностью пока н е понят, «N» н « Н » дрейфуют п о м н ру, распрост ран я я все н овые прогресс ирующие в ирусы, а опоз1-:1ан не н х опазды вает н а 1 -2 года, и н нкакне м оле кул я р н о-ген ети ческ и е экспер имен ты п ол н о й ясности еще не внесл и . Где п р яч етс я, когда появится н кто : « переодет ы й » л н н з н утрн и.ri н об новлен н ы й сн аружи к·о роль , в озвра т и в ш и й с я н а п р еж н и е места бес ч инств уже и звест н ы й агрессор, п редсказать очен ь н очень трудно. Дол го н ожесточ е н н о днскутнруют м ежду собой две гру п п ы исследо в ател е й . Одн и .сч итают, что исчез н у в ш и й п осле у ч и н е н н ого безобра з и я в н рус продолжает « с п я ч ку» . среди н аселен и я , другие . уверены , ч т о в ирусы «отдыхают>> , набираются с н л среди б н ологнческнх кон гломе раци й животных илн п т н ц, возмож но, б л н з к н х к человеку - с в и н е й , у т о к н други х . Н а д о сказать, что п р и деталь н ом молекул я р ном по иске в ыде л н л н детал и «одеждь1» нескол ь к и х в и дов «N» н около двух десятков «Н». П р и ч ем два н з « N » белков в и русов г р и п п а человека н в и русов г р и п п а лошади бы л н <;>бн аружен ы у п т н ц . А вот « Н » у всех совер ш е н н о разл и ч н ые, хотя н здесь н е обошл ось без нсклю ч е н н я , н весьма знаменател ь н ого. Вирус «Гонконг» появился в 1 968 году, а за 4-5 л ет до него был н открыты два в и руса г р и п п а - ути н ого в СССР ( н а Украине) н лоша д и н ого в С Ш А , « Н » которых ока зались сходны с « Гонконгом » . То есть за четыре года до появлен и я заново « переодетого» человеческо го в и руса детал и его « одеждь1» гул ял и у сходных в ирусов ж ивот н ых " . В 70-х годах советские исследо- вател н выдел н л н в и русы « Гонкон га» у кур, собак н тел ят, а амери канские - у с в и н е й . Этн дан ные бы ли подтверждень1 англ ийскнмн уче н ы м и , работающнмн во Всем ирном центре грип п а . Преж н и е умозри тел ь н ы е предпол ожен и я , что каж дая эп ндем н я гриппа сопровож дается вспыш кой сход н ых заболева н и й у животных, п одтверждал ись. Правда, пока научно не заф иксиро вано, чтобы было наоборот : грипп животного вызвал бы эпндем н ю у людей . Это не удавалось даже в опытах с искусственным зараже н и е м . Тем не менее можно ведь и предполагать, чт о нов ы е «п ере возни гриппа форм ы одет ые» кают в резул ьтате гнбрнди зацн н в и русов, которые цнркул нруют сре д и л юдей н л н птнц и живот н ы х . А р а з т а к , то нзучен не экол огн н в ируса гри п п а н особен н остей его распростран е н и я явл яетс я одн и м н з важне й ш их направлен и й нссле дован н й , в частности, советско амернканскнх н по л н н н н Всем ир ной орган нзацнн здравоохранен и я (ВОЗ). Ведь есл н удастс я устано вить возможные варианты « перео деван и й » , можно будет п одготовить н соответствующий н абор вакци н , ч т о положит конец сюрпризам н н еожиданностям в драме с « пере одеван н я м н » . Есть н еще кое-какие важн ы е основан и я дл я оптнмнзма. О д н о н з н н х - предположе н и е о ц н к л и ч ностн « Переодева н и й » . Не и с кл ючено, как считал академ ик А . А. Смород и н цев , что нз беско н е ч н ого разнообрази я « гардероба» те нлн н ные внды « одеждьi» , и л н штаммы, к а к называют и х внрусо логн, возвращаютс я через дол г ие периоды времен и . В и русы « нспанкю> 1 9 1 8 года н л н панде м И н 1 839 года, естественно, п олуч ить н исследовать был о уже н евозможно. В то время нн выде л ять, н н с охран ять их не умел и , да н вообще слабо п редстав л я л и , ч т о э т о такое . Но хоть т е х в и русов 1 36
«Н ЕТ БЕ З О Б Р А З И Я В П РИ Р О ДЕ ! .. » и н ет, иммун итет, и м и вызван н ы й, антитела еще сохран и л ис ь в кров и у н екоторых старожилов. Исследуя эти антитела, ученые убедил ись, что пандем и ю 1 889 года вызвал г р и п п , в ернувш и й с я в 1 957 году под назван и ем «азиатского»-«С и н гапур 51» . Теперь уже и звестно, что в и рус А-1 (эпидем и я 1 947 года) вер нулся в том же в иде ч ерез 30 лет, и иммун итет у л юдей, им к огда-то зараз и в ш ихс я , был достаточно сто ек. А вар иант А с изменен ием « N >) и « Н)) возвращается ч ерез 4050 лет. Подтвержден и е цикл и ч н ости « п е реодеван и й)) очень важно. З н а я примерны й н абор « гардероба)) и п р и мерный срок возвраще н и й , воз можно прогнози ровать появлен и е того или и н ого «п ереодетого)) незван ого гостя. А значит, подго товить ему достойную встреч у . К огда здоровым л юдям вводят вакци н у и они в очень л егкой форме п ереболеют грип п ом , в их орга н и змах точно так же вырабаты ваются а н т итела и и н терферон . А н т итела, п р и готовлен н ые из до н орской кров и , гам ма-глобул и ны , защищают от грип па малень к и х детей и т яжелобол ь н ы х хро н и ков, орган изм к оторых н е спо собен сам бороться с и н фекцие й . и н терферона - очень В в еден и е действен н ое средство проф и л акти к и : м и л л иард н ы е дол и грамма уже делают клет к и невос п р и и м ч и в ы м и к в и русу, и н терферон не ядов ит для сами х клеток. Этот у н и каль н ы й белок образу ется в клетках, как выяснилось, не только при возде й ст в и и в ирусов , но и других х и м и ческих соеди не н и й , и существует много в и дов разнообразн ы х и н терферо н о в . У че ловека и у каждого в и да жи вотных - свои . Поскольку клетки вырабатывают их в очень неболь ш и х кол и чествах, выделять и о ч и щать и нтерфероны задача сложна я и дорога я . Разл и ч ают три основ н ых вида : лей коцитар н ы й , полу- чаем ы й из лей коцитов кров и , фиб робласт н ый - из соед и н и тел ь н о й ткан и , и и ммун н ы й . Тол ько л е й ко цитарного, л у ч ше всех изучен н ого, н ас ч итываетс я бол ее 1 О разновид н осте й . Г адовая п отребн ость в и нтерфе роне так в ел и ка, что его не хватило бы, есл и бы даже все, без исклю ч е н и я , жител и Зем л и стал и дон ора м и . П оэтому с конца 70-х годов начал ись работы п о генной и н же н е р и и штаммов м и кроорган измов, с п особных п р9дуцировать это ве щество, о чем упом и н ал уже акаде м и к А. А. Баев. Этот м етод позво л яет обойтись без донорской кров и и получ ить п ракт ически ч исты й , с во бод н ы й от н енужных п р и месе й , к ристалл и ческ и й и н терферо н . В н а шей стране такие исследован и я успеш н о проведен ы п од руководст вом академ ика Ю . А. О в ч и н н икова в рамках целевой комплекс н о й п рограммы « Б и отехнологи я )) , П ре одолев бол ь ш и е трудности - ведь н адо было искусствен н о сконст руировать очень сложн ы й ген , со держащи й полную программу п ро и зводства человеческого защитного белка, п р и чем ген, актив н о рабо тающий в н аследствен н ом апп арате клетки бактер и и , з н а ч ител ь н о от л и ч ающемся· от человечес кого, ученые Института биоорга н и ческой х и м и и имени М . М . Ш е м я к и н а в о главе с академ и ком М . Н . Колосо вым «собрал ю) и «сш ил ю) л и газой ДНК, п р одуцирующую сам ы й эф фект и в н ы й и з л е й к оцитарных и н терферонов. Исп ытан и я, проведен ны е в 1 982 году, свидетельство вал и , что с и нтет и ч ес к и й ген п о акт и в н ост и н е уступает п р и р од н ому. Затем ученые п остарал ись с н абдить свою м олекулу соед и н е н и я м и , м ак с и мал ь н о повышающими ее актив н ость . В качестве клетк и-хоз я и н а и производител я и нтерферона ис пользовалась з н акомая н ам к и ш еч н а я палочка, н о в дал ь н е й шем предпол агается перейти н а дру г и е м икроорган изм ы, более удобн ые 1 37
Очерк 1 1 1 дл я пром ы ш л е н н ого м и к роб иологи ч еского с и нтеза. Труд н о п ереоце н ить огром ное п ракти ческое з н а ч е н и е этой п обеды х и м и ков-биоорга н и ков. Создан и е штаммов - проду центов и н терферона - отк р ы в а ет возможн ость получен и я рекомби н антных м олекул, и н терферонов с улу ч ш ен н ой структурой . Во В Н И И гри п п а п роводится изуче н и е ген н о и нженерн ого человеческого и нтер ферон а А-2 (реаферона), действ и е которого превосходит действ ие п р и родного. В и нст итутах страны испытыв ают и срав н ив а ют ра:}рабатываемые в с обственных л аборатор и я х и у кол лег п регiарат ы . Вакци н ы , сыворот ки, гамма-глобул и н ы . Выясн яют и устан авл и в а ют оптимал ь н ы е м ето д и к и их п р и менен и я . Ведь вакцину н е т ол ь к о сложно п олуч ить, н о не менее сложно и отыскать н аиболее эффект и в н ы й способ ее использо в ан и я . Советс к и й Союз - род и н а «Жи вой» вакци н ы . Как только п о я в и л с я мет од культ и в и рова н и я ж и в ы х кле ток в н е орган и зма, а следова тел ьн о и возможность «развод ить» в и русы , выделять ч истую и х куль туру, в Л е н и н граде п од руковод СССР ством академ и ка АМН А . А . Смород и н цева б ы л и налаже ны «дресс ировка» и «укроще н и е » в и русов, осл аблен и е и х заражаю щего начала. И з таких ослаблен н ых, н о ж и в ы х в и русов и п р и го товл я ют вакци н н ы е препараты. И х вводят через н ос и л и рот, вызывая слабое заболеван и е и стой к и й им мун итет, которого уже н е одолеть «ди кому», «ул и ч н ому» в и русу. Но главн ое, п осле вакцинации ч еловек · бол ьше н е распростран я ет в и русы и н е заражает окружающи х . В зарубежн ых странах, в т о м ч ис л е акт и в н о сотрудн и ч ающих с С о ветс к и м С оюзом в борьбе прот и в гриппа в А н г л и и , Франци и, С ША,- бол ь ш ое распростране н и е п ол у ч и л а «уб итая» вакцина. В ыде л е н н ы й и оч ищен н ы й в ирус уби- вают ультраф и ол етов ым облучен и ем, формал и н ом или друг и м и с по собам и . Заражающее начало, х оть и с и л ь н о осл абл е н н ое, все равно вы зывает в ч еловечес к ом орган изме иммун итет . У обо и х т и пов вакци н есть свои плюсы и м и нусы . «Живую» не реко мендуют вводить детя м , пожи л ы м и л и ослабле н н ы м болез н ь ю лю дям - все-так и живой в и рус, хоть и «дрессирова н н ы й » . «Убитая» вак цина сложна в производстве. Может, и н е в ыдержал а бы кон куренции «убитая» вакцина, есл и бы гру п п о й советских ученых н е был н айден довол ь н о п ростой и эффек т и в н ы й с п особ ее удешевлен и я очистки н а особом в иде пор истого стекл а. В и русы п р о ч н о застрев ают в стекл я н н ы х норах, как рыбеш к и в мелкоячеистой сет и . Чтобы из влечь и х оттуда, не повредив за ражающего начала, оказал ось доста точ н ы м немного и зменить к ислот ность окружаю щей стекло сред ы . Пов и н уясь такой х и м и ческой ко манде, в и русы буквал ь н о сами «вы скакивают» и з отверст и й . Метод у н и версал е н , е г о можн о использовать дл я в ыделен и я дру г и х в и русов, улуч шен и я и облег ч ен и я производства ж и в ы х вакци н . Отработка тех н ол о г и и велась в Л е н и н градском и н ст итуте эп идем и оло г и и и м и кроб и ологи и и м е н и Л. П ас тера. Кстат и , в п олуч аемой п осле п рогон к и ч ерез стекл я н н у ю колон ку вакци н е в 30 раз увел и ч и в аетс я кон центраци я в и русов и в 1 000 раз повышается ч истота препарата, и п роцесс проходит в нескол ь ко раз быстрее. С пособ запатентова н , и его будут примен ять, как рассказывает д и ре ктор и нститута и м . Пастера Т. В. Перадзе, в ГДР, Чехословак и и , Франци и , Я п о н и и , А н г л и и . Наряду с совершенствован ием «ЖИВОЙ» и «убитой» вакц и н ы при и Эт и готов и л и с и нтет и ческие. вакц и н ы ос нованы н а н овой б и о технологи и , на полностью биохи м и ч еском с и н тезе. Так н азываемые 1 38
«Н ЕТ Б Е ЗО Б Р А ЗИ Я В П РИР О ДЕ ! . . » В от ч то дела ет со здо ров ым лис том ( в ц е нтр е ) пр о ник ш и й в кл е т ки рас те ния в ир у с мо заи ч й но б олезни . субвирионные вакцины против грип па - это высокооч ищенные, концен трированные смеси деталей «Одеж антигены дь1»- гл и копротеидные различных типов в ирусов, образ. но говоря, комбинация деталей «Одеждь1» возбудител я гри п па. Та кие вакцин ы н е содержат «живых» вирусов, а следовател ьно, н икому не вредны . Эксперты ВОЗ реко мендовал и субвирионные вакцины дл я иммун изаци и п роти в гриппа детей, пожилых л юдей и л и ц с хрон ическими заболевани ями, ко торым противопоказаны прививки «живых)) или «убитых)) вакцин . Технология их изготовлен ия еще сложна. Но п ри масштабн ом со вершенствован и и технологии х и м и ческой вакцине можно п редска зать большое будущее. А лекарства? Нет л и хими чес ких средств, чтобы помочь забо левшему организму? Ведь, как и з- вестно, и сул ьфамиды и антибио тики бессильны п ротив гри п п а. Ока зывается, такое средство найдено. Впервые разработан н ое в США, оно испытано во Всесоюзном и нсти туте гриппа в Лен ин граде и усовер шенствован о х и м и ками-орган и ка ми и фармацевтам и в Р и ге, где создал и совершенно н ов ы й ориги нальный способ синтеза, п ередан ный затем дл я использован и я в США. Это - х имическое соедине н и е ремантадин . Его испол ь зуют и проф илактически , и в п ервые три дня болезни с лечебными це л ями . - Сегодн я мы далеко н е бес п о мощны в борьбе с грип п ом. В н а шем распор яжен и и н абор действен ных средств лечен и я самой болезни и часто сопровождающих ее бакте риальных осл ожне н и й , разн ообраз ные эффективные п роф илакт ичес кие и лечебные вакци н ы . Я придер- 1 39
Очерк 1 1 1 что основное живаюсь мнен и я , стратеги ч Е:!ское н ап равлен и е в п о давл ен и и гр и п п а - вакцинаци я, и м мунопрофилактика,- с ч итает ака демик АМН СССР В. М . Жда нов.- Но в п робл еме вакци н ац и и есть два существенных аспекта. Первый - как догн ать скач ущую из мен ч и вость а н т и ген н ы х свойств грип позных в и русов? И второй - четкая разработка такти к и : кого, когда и какими именно имеющихся из вакци н обрабатывать " . Как в ид и м , арсен ал хоть и неве л и к , н о эффект ивен . Дл я всего этого п р и н ята обш ир ная общегосударствен н а я п рограм ма. Она включ ает, кроме науч1:1.ых, м ед и ц и н с к и х и здравоохран итель ных мер, и социал ь н ые п робл ем ы : разб и в ку н аселен и я н а возраст н ы е груп п ы и точ н ы й рас чет эт их груп п , п отому ч т о грудным дет ям н адо одно, подросткам - другое, а взрос лым - совер ш е н н о и ной ком плекс мер, опять же в зависи мости от здоров ь я и рода деятель ност и . Разби в к у населен и я по з а н я т и я м с выделением гру п п повышен ного риска - мед и ков, обслуживающий персонал, работ н и ков транспорта. И х н адо вакци н и ровать н а 70 про дифференциров а н н ы м центов и н абором вакци н . Наконец, выделя ются гру п п ы , наиболее уязвимые п о последств и я м зараже н и я ,- ма л еньк и е дет и , серде ч н ы е, лего ч н ы е и другие хрон и ческие бол ь н ы е . П рограмма п редусматривает осна ще н и е всех пол и кл и н и ческих врачей экс пресс-диагност и к и . средствами Отработана, в н едрена уже в 5 0 кл и л ю м и несцентная н и ках стра н ы экспресс-диагностика. С помощью светящихся в ультраф иолетовых лу чах красок не за две недел и , как п режде , а за два часа, взяв мазок из носа или горла больного, можно отл и ч ить гри п п от ОРЗ. Это тоже важн ы й момент в н аступле н и и на гри п п . Ведь г р и п п у сопутствует м н о жество других абсол ютно сход н ы х п о с и м птомам, но вызываемых совсем други м и в ирусам и заболе ван и й верх н и х дыхател ь н ы х путей . И х-то и называют острые респи ратор н ы е заболеван и я - ОРЗ. На сегодн я и звестно 400 в ирусов возбуд ителей ОРЗ. В срав н е н и и с г р и п п ом , ОРЗ куда менее опасны, н о коварство г р и п п а еще и в том, что он обостр я ет обы ч н ы е ос ен не з и м н и е в с п ы ш к и ОРЗ . ВОЗ развернула по всему зем но му оп овещен и я . шару с истему Опорные пункты в о всех стран ах следят за появл е н и ем н овых грип позных в ирусов. П р и л юбой вспыш ке, где бы он а ни прои зошла, быстро п р и готов л я ют культуры и н аправл яют в Л о н дон , в Музей м и- . ровых штаммов в и русов . Из Лон до на по запросу л юбой стра н ы м ож н о п олуч ить образец н ужного штам ма дл я сравнен и я . Можно запро сить и нтерес У. ющий в и рус и не посредствен но из стра н ы и л и горо да, где н абл юдал ись заболеван и я . В вековом поед и н ке « ч еловек прот и в г р и п п а » н а н а ш и х глазах про исходит реш ител ь н ы й перелом. Уже не в и рус д и ктует свои правила боя, а н ередко человек перехва ты вает и н ициативу. И можно на деяться, когда-то н аступит ден ь, и гр и п п будет выдворен и з сп иска «особо опас н ы х заболева н и й » . О п т и м изм обоснован. Каждый день н аука, атакуя с разных сто рон, завоев ывает все новые и но вые п оз и ц и и . Пример тому - анти п реп ара в и русн ы е ферме1-1 т н ы е ты - нуклеазы, созда н н ы е в лабо ратори и члена-коррес пондента АН СССР Р. И. Салга н и к а в И нст итуте цитол о г и и и генет и к и С ибирского отделен и я АН СССР . В и русы отл и ч ает друг от друга х и м и ч еская п р и рода их нукл е и н о вых к ислот. В возбуд ител ях пол ио м и ел ита, энцефал ита, гр и п п а со держится тол ько молекула РНК, а у в и русов ос п ы , герп еса, адено в и русов л и ш ь Д Н К . К огда б ы л и раскрыты молекул яр- 1 40
«Н ЕТ Б Е ЗО Б Р А З И Я В П Р ИР О Д Е ! .. » н ы е механ измы разм н ожен и я ви русов, стало ясно, что отделен и е и х белковой защитной обол о ч к и внутри клетки И обн аже н и е ин фор мацио н н ы х молекул РНК ил и ДНК обязатель ное условие самовоспро и зведе н и я . Ученые л ог и ч н о предположил и , ч т о в незащище н н ом состо я н и и в и русн ы е нуклеиновые кислоты в н утри клетк и станов ятся доступ ными атаке клеточ н ы х ферментов, с п особ н ы х расщепл ять эти п ол име ры. П р и ч ем н е и збежн о · должна терятьс я информаци я, в н и х зало жен н а я , а следовател ь н о, способ � н ость к самокопиров ан и ю . Напом н ю вам, что ферменты , узнаю щие и расце п л я ющие нуклеи н о в ы е нуклеазами : к и с л о т ы , называют фермент, расще п л я ю щ и й РНК, это рибонуклеаза (или сокраще н н о Р НКаза) , а расщеп л я ю щ и й ДНК . дезокс и р ибонукл еаза (сокращен н о - ДНКаза). Идея воздействовать фермента м и на в и русы возн икла почти од н овремен н о у н ескол ь к и х исследо в ател е й и п роверена в экспери менте. В конце 50-х годов опыты п ровел и Ф . Бернет в Австрал и и , Леклерк в Бел ь г и и и Р . И . Сал га н и к в СССР. Тогда ч ерез все кон т и н енты прошла гигантская панде м и я гриппа, остав и в ш а я за собой м н ожество жертв. Вероятн о, имен но поэтому первые попытки за вирусов держать разм ноже н и е с помощью н уклеаз во всех трех лаборатори я х п роводил и на в и ру се гри п па. Во всех опытах удалось показать, что есл и РНКазу добавлять в сре ду, где выращивали зараже н н ы е клетки животны х , она подавляет размножение в и руса . В лаборато р и и Р . И . Салга н и ка в Иституте цито логии и генетики С и би рского отде л е н и я А Н СССР доказал и : Р Н Каза тормозит си нтез в и русных РНК не которых Р НК-содержащих в ирусов (энцефалита, я щура) и прекращает их размножение, а ДНКаза оказы· вает такое же в л и я н и е на ДНК содержащие в ирусы : оспы, герпеса, а также аде новирусы. Но опыты п роводил и на зараже н н ы х в ирусом клетках, культивированных вне ор гани зма, в искусственной п и татель' ной среде. Способ н ы л и нуклеазы стол ь же успешно действовать в целом ор га н и зме жи вотного? Э ксперименты дал и положител ь н ы й ответ . Введе н и е нуклеазы заражен н ы м живот ным с пасал о от смертел ь н ого ис хо да п р и некотор ы х ис кусствен н о вы зван н ы х в и рус н ы х заболеван и я х . Резул ьтаты всел и л и н адежду н а то, что нуклеазы могут стать эффект и в н ы м и п рот ивовирус н ы м и средствам и . Д л я этого н а д о б ы л о устан овить, не опас н ы л и он и . В ы уже н е раз ч итал и , ч т о гене т и ч еская и нформац и я и ч еловека, и живот н ы х , хран имая в молекулах ДНК, находится в клеточн ы х ядрах в составе хромосом . М ол екул ы Р Н К переносят генет и ч еску·ю и н формацию из клето ч н ого ядра в цитоплазму; где она реал изуетс я в с и н тезе бел ков. А вдруг нуклеазы, п рон икнув в клетку, нач н ут разру шать нуклеиновые кислоты не тол ь ко в и русов, но и самой клетк и , н е делая разл и ч и я м ежду н им и ? Есл и бы воз н икла угроза дл я генет и ч еского апп арата клетк и , от п р именен и я нукл еаз, кон е ч н о , п р и шл ось бы отказаться . Одн ако е щ е и з ран н и х оп ытов стало очевидн о : ДНКаза не в л и яет н а с и нтез собствен н ой клеточной ДНК, котор ы й идет в ядре, а тол ько задерживает формирован и е в и рус ной ДНК и разм н ожен ие некото рых ДНК-содержащих в ирусов, со вершающееся в цитоплазме. З н а ч ит, можно следить раздел ь н о за с и нтезом в ирусной и клеточ н о й Д Н К . Есл и в в ести в клето ч н у ю среду рад и оак т и в н ы й преп арат ( ме ч е н ы й н уклеотид) перед с и нтезом ДНК, то в н ов ь образованн а я ДНК окажете � меченой, и с и нтез ее оцен и в ают с п омощь ю рад и осп ект· 141
Оч е р к 1 1 1 рометра . В незараже н н ы х клетках рад и оакт и в н а я метка оп редел ялас ь тол ько над ядрам и, а в п оражен н ы х , н а п р имер ДНК-содержащим в и русом осповакци н ы , метка появ л яетс я н ад цитоп л азмой . Дру г и м и словам и , ДНКаза изби рател ь н о действует тол ь к о н а ви рус н у ю ДНК, н е н ан ос я ущерба самой клетке. Однако п режде чем н а ч ать л е ч ить бол ь н ы х , п отребова л ос ь п р овест и еще м н ожество опы тов, чтобы выясн ить, н е поврежда ют ли н уклеазы и н ые структуры и ф у н к ц и и клеток и орган изма. Эксперименты п одтверд и л и , что в дозах, п одавл я ю щ и х разм н ожен и е в и русов и даже в десятки раз п ревосходящих их, ни ДНКазы, н и Р Н К азы н е вл и яют н а с и нтез кле т о ч н ы х ДНК, Р Н К и бел ков . О н и н е повреждают генет и чески й а п п арат клеток, н е в ы з ы вают н аследствен ных измен ен и й (мутаци й ) , н е н ару ш а ют дел ен и я клеток . Нуклеазы н е действуют н а ун и кал ь н у ю специ ф и ч н ость генов в клетках и в целом орга н и зме, не н арушают раз в ит и я и ф ормирован и я эмбр ионов, н е в л и я ют н а функци и сердеч но-сосу дистой, дыхател ь н ой и нервной с и стем, печен и . Почему дейст в и е н уклеазы стол ь изби рател ь н о? Дело в том, что х и м и ч еское строе н и е н у к л е и н о в ы х кислот в и русов и клет к и в п р и н ци пе оди н а ково. ' У н и в ерсаль н ость ш ифра с п раведл и ва и здесь. Ну клеотиды соед и н е н ы точ н о так и м и же х и м и ч ес к и м и с в я з я м и , которы е расщепл я ютс я нуклеазам и . Отл и ч и е состоит тол ько в разл и ч ном ч ере дован и и четырех т и пов нуклеот идов в дл и н н ы х цеп ях ДНК и РНК. Ч е тыре т и п а нукл еот идов, комб и н и руясь в сочетан и и п о три (трипле ты), образуют с воеобразную азбу ку из 64 «букв» генет и ч еского кода. Нукл е и н ов ы е кислоты раз н ы х орган измов п одоб н ы разл и ч н ы м словам, составле н н ы м и з б у к в одно го алфавита. Р азл и ч н ое ч ередова н и е букв п р идает раз н ы й смысл словам. Казалось бы, нукл еазы должн ы разрывать с в я з и между «буквам и » в в и русн ы х и клето ч н ы х «Словах» с той же эффект и в н остью. Тогда п о ч ему эти ферменты, п о вреждая нукл е и н ов ы е к ислоты ви русов, щадят клетку? Ответ был п олучен в специал ь н ы х экспер иментах, п роясн я ющих и п росл еживающих судьбу нуклеа зы и в и руса, п о п а в ш и х в клетку. Все круп н ы е молекул ы , н а п р и мер молекулы нуклеаз и ч аст и цьi ви русов, прон и кают в клет к и через и х мембран ы . Наруж н а я клеточ н а я оболочка, мембрана, п р и контакте с бол ь ш и м и молекул а м и или час т и цам и в ы п я ч иваетс я, окружает и х со всех сторон и , см·ы каясь н ад н и м и , образует пол ы й шарик, пузы рек, который с «добычей» п огру жаетс я внутрь клет к и . У далось в ы я с н ить, что имен н о этим путем попадают в клетку и нуклеаз ы . Внутри клетки о н и н аходятся в пу зырь ках, которые изол и руют их от кл еточ н ы х структур, делают без опасн ы м и . В п р и н ц и п е сход н ы м об разом клетка захватывает и в и рус н ы е част ицы, Есл и вирусы и нуклеазы оказы ваютс я одновремен н о в околокле точном п ространстве, то вел ика вероятность того, что он и попадут в одн и и те же в н утриклеточ ные мембранные пузырьки . Здесь-то и нападен и я разыгрываетс я драма нуклеазы на раздевающи йся в и рус, атака н а в и рус н ы е нуклеино в ы е кислоты . Схема п ол н остью п одтверд илась в совместн ы х со специал истам и п о электрон н о й м и к роскоп и и исследован и я х . На элект рон ограмме можно было н аблю дать молекулы ДНКазы, н аходя щиес я вместе с в и русом осповак ци н ы во внутри клето ч н ом мембран ном пузырьке . Остав ш и йс я наед и н е с ферментом в и рус стан овитс я жертвой. Конечно, п р и масс и в н ом зараже н и и клеток в и русам и некото рые из н и х ускол ьзают от нуклеаз и , размножив ш ись, вызывают пора1 42
«Н Е Т Б ЕЗ О Б Р А З И Я В П РИ Р ОД Е ! " » жен и я клеток орга н и зма. Про н и к а я в тон кие взаи моотношен и я нуклеаз, в и руса 1-1 клетки, ученые воору жаются такт икой прот и в одейст в и я болез нетворным части цам. Когда было н адежно доказано, что н уклеазы могут задержи вать разм н оже н и е в и русов без ущерба для орган изма, Фармакол о г и ч ес к и й комитет дал разрешен ие н а прове ден ие кл и н и ческих исп ытан и й . Н о ДНКаза и РНКаза - очень дорогие биох и м и ческие реакт и в ы , которые используют дл я м ол еку л яр н о-би ологи ч еских эксперимен тов, расходу я в дол ях милли граммов. Естественно, мысль о кл и н и ч еском п р именен и и нукл еаз казалась многим нереал ь н о й . Од н ако с и б и рс к и е ученые разработал и биох и м и ч еск и й способ выделен и я этих ферментов из тканей живот ных, п р и чем н е дорогой и н е сл и ш ком сл ожн ы й . Доступ н ы м источ н и ком фермента стал и поджел удоч ные железы крупн ого рогатого скота. Совместно с коЛлегами из Инсти тута орган и ч еской х и м и и С и б и рско го отделени я АН СССР генети кам удалось наладить эконом и ч ное опыт ное производство нуклеаз, пол н о стью обес п е ч и в шее кли н и ческую проверку. Первые исп ытан и я эффект и в н ос ти ДНКазы п ровели при аденови русных заболеван и я х глаз и дыха тел ь н ы х путе й . У детей ч асты од н овремен ные вос п ален и я конъ ю н к т и в ы глаза и сл из истой гортан и . Эп идем и ческие всп ы ш к и аденови рус н ы х конъю нктив итов и н азофа р и н гитов бывают не тол ь к о у детей , но и у взросл ы х . С и л ь н ы е рези в глазах, слезотечение, отеч н ость век при этом дл ятся 2-3 н едел и . Закап ы в а н и е раствора ДНКазы сок ращал о срок заболеван и я до 2-4 д н е й . Заражен ные дыхател ь н ы е пу ти, гортань и сл и з истую носа оро шал и аэрозолем ДНКазы. Резул ьта ты оказал ись н астол ько убедитель н ы , что Фармакологичес к и й ком и- тет быстро признал высокую эф фект и в н ость ДНКазы и разре ш и л ее п р именен ие дл я лечен и я аде н о в и русн ых заболеваний глаз и ды хател ь н ых путей . Следующи й шаг был логи ческим п родолже н и ем п редыдущего. Т я жел ые пораже н и я рогов и цы , н еред ко ведущие к слепоте, вызывает в и рус герпеса, котор ы й , как и аде н о в и рус, п р и н адлежит к ч ислу ДНК содержащих. Гер пет и ч еск ие керати ты проявл я ются в воспал е н и и ро гов и цы с образов ан ием язв, с и л ь н ы е бол и н е п роходят м н ого дней, заболев а н и е возобновл яетс я и н огда почти кажд ы й мес яц. Для лечен и я н аиболее т яжел ых форм кератита достаточ но эффек т и в н ы х средст в н е существовало. Пробы, п роведе н н ые в н есколь к и х кл и н иках Советского Союза, св идетел ьствовал и , что и нъек ц и и ДНКазы п од конъ юнктиву и зака п ы в ан и я ее излеч ивают в короткие сроки самые т яжел ы е формы н еду га. Через 1 -2 д н я п осле начала лечен и я п рекращаются бол и , а в те чение 7- 1 0 дней исчезают ос нов ные сим птомы болез н и . В бол ь ш и н стве случаев возврата забол еван и я н е было. Естественно было предположить, что ДНКаза окажетс я эффект и в н а и п р и и н ых заболеван и я х , в ы зы ваемых в и русам и гру п п ы герпеса. Один из них, извест н ы й как гер пес зостер, или опоясывающи й л ишай, поражает нерв н ы е узл ы и кожу, муч ителен, надолго л и шает покоя. С и л ь н ы е бол и п о ходу меж ребер ных нервов дл ятся п о м н огу дней, кожн ые высыпан и я охваты вают бол ь шую поверх ность тела и ведут к изъязвлен и я м и разруше нию ткан и . Нередко в и рус «н апа дает» н а трой н и ч н ы й нерв, и тогда страдает бол ь ш а я поверх н ость л и ц а . Возбудитель герпеса другого типа действует н а кожу окружнос т и рта, крыльев носа, в ы з ы в а я воспал е н и е, язвы и с и л ь н ы е бол и . В нутрим ы ш е ч н ы е и нъекци и ДНКазы 1 43
О ч ер к 1 1 1 быстро прекращают бол и и дают стой кое исчезновен и е всех в оспал и тел ь н ы х явлен и й . Е щ е одно заболеван и е н а с ч ету груп п ы герп еса - и н ф ек ц и о н н ы й монон уклеоз. Он сопровождаетс я длител ь н ой л ихорадкой, когда вы сокая температура держится 23 н едел и и более, ему сопутству ет ангина, увел и ч е н и е л имфат и ч ес к и х желез, п е ч е н и , селезе н к и , и з м е н е н и е карт и н ы кров и . Средств для лечен и я н икаких не было. А н т ибиот и к и бесс и л ь н ы п рот!-!в ви русной ангины и л и хорад к и . . Хотя бол ь н ые, как правило, в ы з доравли вают, однако у н екоторых возни кают довол ь н о т яжел ые осложне н и я . Применен ие ДНКазы оказалось также очень эффект и в н ы м . Л е ч ебное дейст в и е РНКазы испы тано и п р и клещевом э н цефал и те, т яжелом недуге, в ы з ываемом Р НК-содержащим в и русом, пере н ос ч и к которого - клещ. О ч аги за болеван и я вспыхи вают чаще в вос точ н ы х районах Советского Союза. Однако эн цефал итные клещи ветре� ч аютс я и в европейской част и СССР, и в странах Централ ь н ой Е вроп ы . В и русн ы е э н цефал иты распространены в Юго-Восточной Азии, Северной и Южной Америке, в Австрал и и . Введен и е бол ь н ы м препарата быстро сн ижает темпера туру, вскоре исчезают и п р и з н а к и поражен и я мозговых оболочек, и - главное - резко умень шается ч исло п арал и ч е й и смертель н ы х исходов . В СССР препарат РНКазы разрешен дл я лечен и я кл ещевого э н цефал ита. К л и н и цисты н абл юда ли его лечебное действие п р и э н цефалИтах и мен и н гитах, вы зы ваемых и и н ы м и РНК-содержащи ми в ирусам и . Оказалось также, ч т о РНКаза и ДНКаза задержи вают разм н оже н и е в и русов, п ов и н н ы х в заболеван и я х расте н и й , дом а ш н и х ж и в от н ы х , на секом ы х . Р е ч ь , естественно, идет о полезн ы х насекомых - так и х , как, например, п челы. Однако нуклеазы, применяемые в меди цине, н ескол ь ко дороги дл я широкого ис пользован и я в сельском хоз я йстве. Дл я лечен и я живот н ы х и защиты растен и й от в ирусов нуж н ы дешевые ферменты, досту п н ы е в огром ных кол и чествах. Практически н еогра н и ч е н н ы м ис точ н и ком дешевых нуклеаз могл и стать м и кроорга н и з м ы . В Институте цитологи и и генет и к и нашл и штам мы м икроорган изма, способн ого в ырабатыв·а ть нуклеазы с п роти вовирусн ы м и свойствам и . Произ водимая им нукл еаза обладает бол ь ш и м и достоинствам и : она рас щепл яет и РНК, и ДНК, задержи вает разм н оже н и е РНК- и ДНК-содержа щих в и русов, сочета я в себе дейст в и е РНКазы и ДНКаз ы . Одно л и шь было плохо : бактер и и давал и сли шком мало этой замечател ь н ой нуклеазы. Здесь надо пояснить, что исполь зован и е н уклеаз для атаки н а в иру сы от носилось к сфере п р и кладных и нтересов лаборатор и и . Основ н ы е и нтересы у·ч еных л ежат в области фундаментал ь н ы х исследован и й и с в я за н ы с разработкой способов н а п равл е н н ы х х и м и ч еских воздейст в и й н а избран ные ге н ы с цел ью получен и я мутац и й - измен е н и й для модел ирова н и я процессов эво люции. Н о , как часто бывает, теорети ческие разработ к и оказал ись п рак ти чески полез н ы м и . Один из способов н аправленного вл и я н и я на определ е н н ы е груп п ы генов позвол ил з а корот к и й срок п олуч ить мутанты бактер и й , кото рые производят н уклеазу в кол и ч естве п р имерно в 300 раз боль шем, чем исход н ы й штамм. Высо копродуктив н ы й мутантны й штамм и стал осн овой опытно-промышлен ного производства, орган и зованно го в одном из отраслевых и нсти про тутов м икробиолог и ч еской м ы шлен н ости . Бактериал ь н а я нуклеаза оф ици ал ь н о рекомендов ана в СССР дл я 1 44
« Н Е Т Б Е З О Б Р АЗ ИЯ В П Р И Р ОД Е ! . . » широкого использован и я в п ч ело По дан ны м ВОЗ, з аболев а н и я , вы зы ваемые герпесом, занимают в то водстве. Обработка нуклеазой гусе рое место п осле г р и п п а по числу н и ц шелкопр яда и корма преп ят смерт н ы х случаев. ств ует расп ростран е н и ю в и рус ной и н фекции среди л и ч и н ок тутового До создан и я пол ивакци н ы н е ше�копр яда. В некоторых ветери существовал о средств, способ н арных инст итутах п роверяют эф н ы х предотврат ить повтор я ю щ и ес я фект и в н ость н уклеазы п р и леч е н и и в с п ы ш к и - рецидивы герпети чес к и х в и русных забол еван и й дыхател ь н ы х заболеван и й , а и мен н о э т и посто я н путей телят и с в и н е й . Результаты н ы е повторы и е с т ь особое ковар ство герп еса. В нашей стран е иссле обнадеживающи . Но победное шест дова н и я по разработке эфф ект и в н о вие ант и в и р усов-нуклеаз н а этом го средства борьбы с герпесом не зако н ч илось. Ви русы растен и й были начаты еще в конце 50-х также стал и м и ш е н ь ю д л я нового годов . С е й ч ас удалось н ак о п и т ь препарата. Был разработан эко но сол и д н ы й опыт по пр именен и ю м и ч н ы й сп особ получ е н и я свобод ных от в и р усов расте н и й , которы й поливакци н ы . В разных кли н и ках она прошла м ноголетние и с п ы та н и я , начи нают использовать, в частност и, центрах созда н ы действе н н ы е метод и к и ле сел ьскохоз я йстве н н ы х в чен и я и проф илакт и к и многих за картофел еводства, поскол ьку в и р у с ы , поражающие картофель; нано болев а н и й . Н аиболь ш и х ус пехов доб и л и с ь сят особенно бол ь ш о й ущерб. в Инст итуте глаз н ы х болезней М и н Наше знакомство с анти в и русны здрава С С С Р , г д е под руководств9м м и средствам и будет весьма обед профессора А . А . Каспарова в п ер н е н н ы м , если не упом я н уть об " в ы е созданы и с п рекрас н ы м и еще одном важном достиже н и и советских у ч е н ы х и меди ков . Это - резул ьтатам и используtотся ор и г и герпет и ч еская пол и вакцина, разра н ал ь н ы е комби н ирован н ы е методи ки л ечен и я тяжел ых пораже н и й бота н н а я в И н ституте в и русолог и и рогов и цы глаз с п омощью пол и в ак и м . Д . И . Ивановского А М Н СССР: Значение нового преп арата легче ц и н ы , которая стимул ирует стой к и й оце н и т ь , поясн и в хотя бы в кратце, клеточ н ы й иммун итет в орган 1-:1зме. что п редставл я ет собой в и рус гер Сотням л юдей возвращена радость песа, о котором бегло упоми налось в идеть все мн огоцветье м и р а, изба в и т ьс я от с и л ь н ых болей и вер в связи с Д НКазой . Гер пес - от греческого « л и хо н уться к любимой работ е. Один и з выдающихся б и о х и м и распростран е н н а я радка» - самая к о в Альберт Сент-Дьёрдь и , родом и нфекци я человека и ж и в о т н ы х , которая в последнее в р е м я акти в и и з Венгрии, п исал когда-то, что з и ровала с ь . Герпес существует в основе на действует «П р и рода л юбом орга н и зме в так называемой небольшого кол и чества осно в н ы х п р и н ци п ов» . латентной, «С п ящей » , фо р ме. Под действием раз н ы х п р и ч и н он вдруг Действ ительно, как п р и н ц и п ы ор « п росыпаетс я » и поражает самые ганизации генет и ч еской и н форма разные орга н ы и ткани - от высы ц и и , так и н а в я зыван ие чужеродной п а н и й на губах до т яжел ы х травм и н формаци :1 живой клетке ( а это рогов и цы глаз, н ередко ведущи х к « п р и н ц и п существов а н и я » в и русов) слепоте, до разрушен и я печен и , реал и зуетс я оди н аково у орга н из нервных стволов, экзем ы , ветр я н о й мов, даже очень далеко разошед о с п ы и м н о г и х других опасных ш и хс я в эвол ю ц и и . Ученые л и ш ь болезн ей, вплоть до энцефал итов воспользовал ись эт и м п р и н ци п ом пораже н и й мозга. молекул ярного еди н ообр аз и я про- 1 45
Очерк 1 1 1 цессов жизн и с ощут имой пользой дл я чел овека. Знание п ом огает ч еловеку ус п е ш н о защищатьс я от видимых и невидимых врагов. И это заме ч ател ьно. Н о знан и е н ал агает и огром ную ответствен ност ь . Ответст в е н н ость за всю живую п р ироду, которая требует бережного отно ше н и я к ее столь тщател ь н о отла же н н ому и стол ь хруп кому и уязви мому круговороту жизн и , ' вкл ю ч а я вирус ы . Все жи вое взаимос в язано, каж д ы й б иологичес к и й объект вы п ол н яет свою ч етко обусл овлен ную рол ь в общем круговороте б ио сфер ы . Неужел и в этой отработан ной м и л л и ардами лет с истеме мо жет обнаружиться нечто, оказавше ес я «Не у дел » и выступающее тол ь ко как н оситель зла? Нелепо и невежестве н н о предполагать зло н амере н н ость в п р и роде. Конечно, в ирусы вызывают оп ас н ые, т яжел ы е болез н и , которые и н огда п р и в одят к смерт и . Бе зусло в н о, от болезней н адо защи щатьс я . Имен н о от болез н е й . Да ва йте, в самом деле, п орассужда ем . Разве все л юди п огол о в н о забо левают тем же п ресловутым грип пом и л и другими неприятными хво р я м и ? Разумеется , нет, бол ь ш и н ство остается здоровым и даже во врем я эпидем и й . И н аче все н аселе н ие Земл и давн ым-давно бы вы мерло - ведь эффект и в н ы е про тивовирусн ы е средства п о я в и л и с ь т о л ь к о в н а ш и дн и . Н а у к а к н а ш и м д н я м накопила м н ожество доказательств, что в ирусы поист и н е вездесущи. Не тол ько млекоп и тающие, н о п ресм ыкающиеся, оби тател и водных глуб и н , н асеком ые, птицы, даже бактер и и буквал ь н о н а ш п и гован ы и м и . В срав н е н и и с такой насыще н н остью всего жи во го сам ыми разнообразными в и ру сам и вирус н ы е заболеван и я отно с ител ь н а я редкость. Скорее всего в и русы и грают каку ю-то важную роль в структуре жи вого, необхо- димы ей. Вот тол ько зачем? Это пока непонятн о - не хватает име ющихся знан и й . Но нет сом н-е н и я , ч т о с коро л юди и м и овладею т. Наука совершает стрем ител ь н ы е скач к и , а п роблема в и русов с л и ш к о м в а ж н а и зан имаются сегод н я ею м н огие. Разл и ч н ы е сведен и я накапли вают ся, попол н я ются с каждым днем и рождают вполне закономерн ы е п редположе н и я . Познакомимся с некоторыми и з н и х . П р и всем разн ообраз и и уже извест н ы х в и русов п р и н цип их компл екс п остроен и я оди н аков : нуклеиновых к ислот, плотно уп ако в а н н ы х в бел ковую « одежду» раз л и ч н ой формы. Другими словами это хорошо уп акован н ы й блок н а следственной и н формаци и . В и зол и рован н ом состо я н и и в и рус не с п о собен н и к обмену веществ, н и к производству и расходован и ю энерг и и . Б л о к ин формации бл ужда ет от одного жи вого существа к другому и , л и шь сброс и в обо л о ч ку и проникнув в живую клет ку, п роявл яет активность. В одном случае в и рус так дезорган изует и п реобразов ывает функцию клет ки, что она гибнет. Это - болезн ь . Но вместе с клетками и орган и з мом гибнут и п околен и я вирусо в . Уби йство одн овременно с само уби йством? Прекращен ие собствен ного разм н оже н и я и существова н и я невыгодн о с л юбой точ к и зре н и я дл я л юбого б и ологи ческого в ида. Н о вот есл и орган изм-хоз я ин выздоровел - это в ы годн о для обои х . В орган изме часто обра зуетс я сто й к и й иммун итет, и он н а какое-то врем я н е будет подвер жен заболеван и ям, а в и рус, естест в е н н о, сохран ится в п р и роде. Все л о г и ч н о, только оп ять воп рос - за чем ей нужен в и рус? Тол ь ко что бы сохран ить в ид? Пока ответа нет. Известен и другой случай взаи модейст в и я в и руса с клеткой, когда в и рус �страиваетс я в разл и ч н ы х сочетан и ях в ее генет и ч ес к и й аппа1 46
« Н Е Т Б Е З ОБ Р А З И Я В П РИ РОД Е ! •. » рат, как бы и нтегри руетс я, тер я я собственное « Л И ЦО » . П р и этом клет ка тоже изменяет свои функци и , иногда это при водит к траге д и и - клетки н а ч и нают безудержно размножатьс я , форм ируетс я злока чествен н а я опухол ь , но обы ч н о функци я клетки и змен яется направ ленно. Может, в этом главная функция в и русов, своеобразная пр и родная ген ная инженерия ? Может, в и русы - природ н ы й фонд п е реме щающе й с я генетической и н форма- ци и , п р и чем фонд необходим ы й ? Ответы на э т и вопросы с е й ч ас напряженно и щет наука. А между тем в и русы уже помо гают п ролить свет на некоторы е особеннос т и неизвестные ранее главн ого ш ифра п р ироды - ап пара та наследственности, а также рас крыть тай н ы высшей регул яц и и био х и м и ческих п роцессов и отыскать с п особы воздейст в и я н а иммуни орга тет - п р и родную защиту н и зма. 1 47
ТА Й Н А « Б ЛУЖ Д А ЮЩИХ» ГЕ Н О В Что может вызвать «сбой » в иде ально отлаженной жи вой систе ме - клетке1 Почему и как без упре ч н ы й биох и ми чески й « комби нат», мирно производящий необ х одимую себе и орган изму п ро дукци ю - бел ки , вдруг устраи вает бунт и превращаетс я в агрессора1 Отчего клетка начи н ает безудерж но разм ножаться и раст и, п одав л я я соседей , п ревращаясь в опу- хол ь , губит весь орган изм1 Когда в н едрился вирус, все кое-как пон ят но - насильствен но нав язана чужа я н асл едствен ная и нформаци я. Ну а есл и была л ишь своя собстве н н а я , а клетка почему-то «обезумела» . . . Разгадать био х им ически й моле кул ярн ы й ме х а н изм п ревраще н и я нормал ьной кл етки в раковую значит сделать решител ь н ы й шаг на пути к п роф илактике и лечен ию 1 48
ТАЙ Н А « БЛУЖДА Ю ЩИ Х» Г Е Н О В зловещего заболеван и я , сч итавше гос я до недавн его времен и смерт .ным п р и говором. Существовало м н ожество теор и й и предположен и й , однако до эпо хи молекул ярной биологии и гене т и к и , до становл е н и я могучего ар сенала современ ной биох и м и и все они вертелись вокруг да окол о . Т оч но доказать н и чего не удавалос ь . Пон ятен энтузиазм, с которым нескол ь к о лет н азад было встре чено открытие в н аследствен н ом веществе некоторых в и русов, вызы вающих раковые заболеван и я у живот н ы х , особых генов. Их назва л и « О Н КОГе Н Ы » , ОТ «ОН КО»- О П У ХОЛ Ь . Первый он коген н а ш л и в давно известном в и русе саркомы Рауса, п о в и н н ом в в оз н и кновен и и рака у цыплят. Целенаправлен н ы й остроум ных помощью с поиск экспериментал ь н ы х методов п ри вел к новой научной сенсаци и . О н когены аномал ь н ы х в идов обн а ружили у л юдей п р и некоторых формах раков ых забол еван и й : по раже н и й легк и х , груд и , к и шеч н и ка. А затем п оследовала сенсаци я еще более п оразител ь н а я : п осле довател ь н ости ш и фра ДНК, почти тождествен ные он когенам, б ы л и от крыты в нормал ь н ы х , абсол ютно не злокачествен н ы х тканевых клет ках всего живого м и ра, в том ч ис ле и в человечес к и х . О н и н ор мал ь н о там присутствуют и , по всей в и димости , в ы п ол н я ют какие то важные функци и . Воз н и кл а гипотеза, н е исключ ав шая, что п одобные « п ротоонкоге н ы » , как их н азвал и , п оскол ьку о н и же не вызывают рак, а тол ь к о сохран яют такую возможность, и г рал и рол ь в эволюции живых су ществ и существовал и н а всем ее прот яжен и и , участвуя каким-то образом в п роцессах делен и я и «разделен и я обязан н остей»- спе циал и зации разл и ч н ы х клеток. Н о все же каким образом безобидн ы й г е н - п ротоон коген вдруг превращаетс я в н астоящий он коге н , п рограмм ирующи й о н к о белок, образующи й оп ухол и ? Этот вопрос оказалс я в 1 984 году в цен т ре в н иман и я у ч е н ы х все го м и р а . В п оисках ответа было установле н о нескол ь к о важн е й ш и х фактов. П режде всего оказалось, что п ора зител ь н ы е отл и ч и я норм.а л ь н ы х кле ток от раковых обусловлен ы с � всем незначител ь н ы м и измене н и я м и на генет и ч еском уровне. В гене, «от ветственном» за злокачестве.н н ое перерожде н и е клеток, в ыделе н н ы х и з опухол и , еди нственная разн и ца с нормал ь н ы м - это замеще н и е всего одного н уклеотида в Д Н К . К та кому в ыводу п р и ш л и три груп п ы у ч е н ы х , незав исимо работ а в ш и х в раз н ы х стран ах. И столь н и ч тож н ое отступл е н и е от нормы в Д Н К мен яет всего л и ш ь одн у ам и н о к ислоту в одном коди руемом кле точном бел ке. Ученые был и потрясен ы . О н и-то думал и н а й т и искаже н и е цел ой об л аст и , участвующей . в о « в к л ю ч ен и и » и «выключен и и » гена, а тут всего н авсего одн а «буковка» в ы з ы вает такие поразител ь н ы е п осл едств и я в раз в и т и и клетк и . " Основ н ы е исследован и я п о ш л и п о двум направл ен и ям : деталь ное и зучен ие генет и к и опухол е в ы х кл еток человека и экс п ерименты с группой в и русов, в ы зывающих опухол и у живот н ы х . Так и е в иру сы называют ретро- и л и п ров иру сам и . Так, по ирон и и судьбы и л и , может, п о з н аку судьбы, в н им а н и е к в и русам в н о в ь резко возросл о, н о, как говор итс я , совсем «С дру гого конца»- в изучен и и рака. И н адежды н е были обман уты . П осле того как убедил ись в экс перименте, что клето ч н ы й прото онкоген, п рисоед и н е н н ы й к генети ческому материалу в ируса, с п ос о бен превращать нормал ь н ы е кл ет ки в раковы е, стал о ясно, что та ким же роковым тол ч ком м огут оказаться х и м и ческое, радиоактив ное, ультраф иолетовое воздейств и я , куре н и е и другие факторы, вызы1 49
Очерк I V Выяспи.1t о с ь , что э тот в ир у с, устроепп ый ге н е тически дово.1t ь н,о просто, способе н, вы авать .1tе йк емию - а .1tо качествеппо е пораже н ие кр ови. в аю щ ие и з ме н е н и я в х р омос омах . Небо л ь шое и з ме н е н ие од н ой б уко в ки ге н а в час т и, коди рую щей с т рук т у р у белка, ли бо в д р у г ой «к ома н д н ой )) ча с ти може т с т а т ь «сп ус ко вы м крючком)> в це п и л а в и н ооб ра з ны х превраще н и й , «вк л ю ч ит)) ко н.т р ол и р ующи й факто р ге на , активизи р о ва в его. И сс ледо в ате л и , изучающие опу хол и че л о в ека, в с в�ю оче р едь, об нар ужи л и, что ДНК, в зятая из н е котор ых з л окачес т в е н н ых к л еток, может в ызы ва ть пе р е р ожде н ие н орм ал ь н ых к л еток в раков ы е б ез вс якого в л и я н и я в и р усн ого нас лед с т в е нн ого вещес тва. В ДНК зл о качес тве нн ых к л еток н ашл и н ас то ящие о н коге н ы - так на зываемые т р а нс фор м и р ующие г е ны . Нес ко л ь ко в идов их уже уда л ось иде н тифици р о ва ть . Л юбоп ы т н о, что оди н и тот же о н ко г е н может на ходи ть с я в опухо л ях разл ич н ого п р ои с хожде н и я . И на обо р от - в опухо л ях с оди на ко вы ми к л и н иче с кими ди а гн о з ами с оде р жат с я раз лич н ы е о н коге ны . Так, оди н из т ранс фо р ми р у ющих о н ко ге н о в н аш л и п р име рн о в 15 из 100 опухо л ей че л о в ека. Но с амый большой с юрп р из жда л уче н ых, ко гда в обоих н ап р ав л е н и ях пои с ка об р исова л с я общий пе р екресток. Оказалось, что о н ко ге н ы н екотор ых р ако в ых к л еток че л о в ека пол н ос тью с оот в ет с т в уют о н ко г е на м в и р ус о в , вызывающих р ак у жи вот н ых ! Наприме р , о н ко ге н опухоле в ой к л етки при р аке л е г ких и л и толс той кишки иде н тиче н о н коге н у в и р усов с а р ком ы мышей. Некотор ые с ход н ые че рты об н а р ужи л и у ге н ов, р анее н икак между с обой н е с в яз ыв аем ы х. С р авн ите л ь н ое изуче н ие по зв о ли л о вы я сн ит ь и . н екото ры е п р о дук:r ы , коди р уем ы е гр у п пами о н ко ге н о в , на п р име р ответ с т в е нн ос ть за п р ои зв одс т в о ф е р ме н т а ти р о зи н киназ ы , которы й химичес ки и з-: ме н яет д р у г ой б ел ок, доб а вл я я ф осф ат н ую гр уп п у к ами н окисл оте,; т и р о з и н у. В с е эти св еде н и я п о зв о- · л яют, п о об р а зн ому з амеча н ию б иохимико в , « с читат ь джу нгл и о н ког е н ов н е такими уж н е пр оходи м ы мю) , 150
ТА Й Н А « БЛУЖ Д АЮ ЩИ Х » Г Е Н ОВ На п о до61�ы х му хах , к а к пер в а я сле в а , п а чали с ь э к с пер им е пт ы , в рез у л ь тате ко т о рых у п о в ы х п о к оле п и й из.мен,ила с ь ф о рма и р а сп о л о жепие кр ыл ы шек. Одн ако глав н ы й воп рос - чем отл и ч а ются п ротоон коген ы от вы зывающих рак онкоген ов, кроме того, что в опухолевой клетке эти иден т и ч н ы е структуры работают, а в здоровой «мол чат » , остав алс я без ответа. Вернее сказать, не чем отл и ч аютс я, а каков механ изм их запуска и контрол я - вот что оста валось гл авной загадкой . Только к лету 1 984 года появи л ись новые ошеломл яющие факты, касающиес я регул яци и и контрол я . Оказы ваетс я, при рода п редусмот рел а как бы двойной контроль . Напр имер, дл я превращен и я н ор мальной клетки в раковую повы ш ен и я акт и в н ости одн ого о н к огена, п о всей в1-1д имост и , недостаточ н о, а н еобхо д имо возбужден и е по крайней мере двух т и пов разных онкогенов. Эти т и п ы резко раз н ятся п о функци ям . Одни из н и х делают клетку бессмерт н о й . Ведь к аждая живая клетка обы ч н о вы держивает строго огра н и ченное чис ло деле н и й , а затем прекращает разм ножаться и гибнет . Если же в кул ьтуру клеток ввести действую щи й ген «бессмерт и я » , то о н и будут продолжать разм ножаться бес конечно, производить неогра н и ч ен н ое ч исло поколен и й . Вероят но, и в огран изме он коген ы п ер вого типа обусловл и в ают, в случае необходимости, бессмертие клет к и . О н когены же второго т и п а в л и яют н а п оверх н остные свойства клет к и , в част н ост и , делают ее агресс и в н о й . Клет к и , в котор ы е в в од и л и онкоген «агресс и и » , мен я ют свои свойства, н а ч и н а ют н а растат ь н а с оседние, разрушать и х , то есть ведут себ я точ н о т а к же, как опухолевые. Н о он и смертн ы : раздел и в ш ись определ е н н ое ч исло раз, гибнут, как л юбые н ормал ь н ы е. Так вот, есл и одновремен н о п роисходит акти ваци я сразу двух в идов он коген ов, тогда и п олуч ает ся настоящая злокачестве н н а я клет ка - агресс и в н а я , разрушающая все вокруг и бессмертная : размно жающаяся неогран и че н н о . Обна ружение двух разновидностей онко генов, действующих сообща и пол ностью согласованно,- одно и з важ н е й ш и х сам ы х свежих науч н ы х от кр ытий, интенсивно сей час разраба ты ваемое в разн ы х лабораториях и и нститутах. Не менее сенсацион н а другая н ау ч н а я н овость . Вы ясн илось, что м н ог и е из он когенов второй раз новидн ости - стимул яторов а грес с и в н ости клетки прои зводят он к о бел к и , весьма бл и з к и е п о своей структуре к бел кам, от ветст вен н ы м за рост,- факторам роста . Новость оказалась стол ь же н еожи да н н о й , скол ь и в п е ч атл яющей. Н ебезынтерес н а истор и я от кры тия. В начале мая 1 984 года специ алист по программи рован и ю П . Сто куэлл из Новой Зелан д и и , обраба тывая очередную порцию экспери1 51
О ч ерк I V Ми кр о фо тогра ф и и с помо щ ь ю с ка н и р ую ще г о э лектро нного м и кроско па дают в озможно сть Шl блю дать , как нормаль ные клетк и соед и н и тель но й ТКf! Ни - ф и бро бла сты, име ю щ и е пло ску ю , в ытянуту ю ф орму ( слева ) , по сле з ар аже н и я в ир у с ом сарк омы Ра уса с тапо вят ся о кругл ыми и с би в аются в ха от и ческ и е ско пл ен и я . ментальных данных на ЭВМ, заметил живл ять, зат ягивать ран ы . Уотер бл изкое сходство между веществом филд и его коллеги, собственно, в и руса, вызывающего рак у . изучал и, что заставл яет расти норобезьян, и одним из белков, на мальные здоровые клетки, в надеж зываемых фактором роста кровя де лучше разобратьс я в пр и ч инах ных клеток. П рограммист, ' к сча роста раковых. Но, разумеетс я, стью, не пропустил этого, поставил им и в голову поначалу не могло большой воскли цательный знак на прийти, что оди н из факторов роста распечатке и передал ее доктору кров и окажетс я тем самым бел ком, П. Уотерфилду, руководител ю груп что вызывает безудержное разрас пы , расш ифровывающей химичес тан ие злокачествен н ы х клеток оп ре кую структуру этого бел ка. Уотер делен н ого в ида. Правда, онкологи филд догадался, что такое совпа еще ранее обрат или вн иман ие на ден ие не может быть случайным то, что лабораторные культуры и что между раковым в ирусом и раковых клеток охотно растут на ф актором роста крови должна п итательных смесях, а дл я того что существовать эвол юцион ная связь. бьi росли нормальн ые, н адо обя Белок - фактор роста образуетс я зател ьно добавлять сыворотку кро в человеческом орга н и зме в ранах в и . Но это наблюден ие как-то оста при свертыван и и кров и - в кро лось без вн иман и я . в яных пластин ках (тромбоцитах) . Началось изучение фактора рос Он обладает способностью застав та. А надо заметить, что дл я л ять клетки разрастаться и зап олучен и я нескольких м иллион ных 1 52
ТА й НА •БЛУЖДАЮ ЩИХ• ГЕНОВ Нормальн ы й рост и развитие . Мутаге н ы и л и др у г и е к а н ц е р о г е н ы ( х и м ические вещества, рад и а ц и я , вирус ы , Ретровир ус н е и м еющие онкогенов и т.д. ) Злокач естве н н ы й рост Зде с ь и з_о браже н,а пре дпола гаема я с хема пр е враще н,и я н, орма ыw л г о г е н,а кле т к и в о пухо лерод н, ы и - о н, коге к. Т а кое о па сно е пр евра ще н,и е мо жет пр о из о й ти пр и в н, едре н,ии в ир ус а под в озде й с тв и ем разли ч н, ых вр ед н, ых в е щ е ств - х им и ка то в , напр имер пр одукто в т а бач н, ого д ыма . долей грамма этого белка пр ихо дится перер абатывать тысячи л итров донорской кров и . Но цел ь оправ . дывала затр а ты . Об на ружи л ось, что этот белок весьма необычен и за метно отл ичается от тех, что входят в состав кожи, мышц, в содержимое клеток . Он стоек - его можно на грев а ть до 1 О минут в концентриро ванной к ислоте, и свойств своих он не потеряет, в то в рем я как обыч ные не выдерживают и трех м и нут нагреван и я в п ростой воде. Расшифровка показ ала, что в соста ве фактора роста 1 04 ам и н окисло ты . Срав н и вая его строе н ие со струк турой других расш ифрованных бел ков п о «Карте» с помощью ЭВМ, и замети л и поразител ь ное его сходство с вирусом рака обезья н . П режде думали, что этот белок дол жен быть п охож на и нсули н и л и змеиный яд. Возн ик вопрос : каким обр азом может в и рус выраб атывать белок, столь бл изкий к одному нз бел ков человеческо й кров и? Поиск ответ а вплотную п одвел к фунд аменталь ному механизму возн икновен и я ра ка -«запуску» клетки на перерож дение. В норм альных клетк ах бел к и ф акторы рост а не только в ыдел яют в окруж ающую их среду стимул я тор, ответствен н ы й за р азмножение клеток, но связыв аются на поверх ности клеток с другими бел кам и рецептор ам и , своеобразн ым и регу л ятор ами фактор а рост а, а также с белкам и - передатчик ам и снгн;;� лов . Рецепторы фактор а роста не посредствен но упр авл яют ростом клеток. В конце кон цов удалось опреде л ить, что ряд изучен ных онкобелков соответству ет по своим свойств ам 1 53
Очерк I V всем э т и м трем бел кам, отвеч аю щим за рост клеток . А н екоторые онкоген ы, н а п р имер он коген ТИС , продуцируют белок, похожий н а с а м фактор роста, дет ище дру гих -«выл и т ы й » рецептор фактора роста, а трет ь и х - почти точ н а я коп и я бел ков-п ередат ч и ков росто вой и н формаци и . Естеств е н н о, ученые убеждены, что существуют, что об язател ь н о должны б ы т ь также и антираковые ген ы , п родукты которых - бел к и в н ормал ь н ы х услов и ях регул ируют и п одав':n я ют клеточ н ы й рост, есл и это н еобходимо. О н и должны за щ и щать клетку от перерожде н и я . Почему же п ерестают защи щать? Вероятно, кроме акти ваци и двух ти пов онкогенов, одновремен н о про исходит и какое-то наруш е н и е и накти ваци я « п ротивораковых» ге нов и л и и х · п родук ц и и - белков. Важн е й ш и й и н т р и гующий воп рос - какова связь между раз н ы м и т и п а м и генов, может л и «антираков ы й » ген управл ять и п о давл ять акт и ваци ю он когенов и ка ким образом? Посредством л и про извод и м ы х им белков или как-то и наче? Вообще - существует ли тес ная с в я з ь между этими в и дам и ге нов? Тут есть над чем подум ат ь. Не забудем, что все обн аружен ные п ротоон когены, похожие на ф актор роста, в ы п о л н яют важную рол ь в росте и размножен и и клеток. Н а п р и м ер, могут помочь развиться оплодотворе н н ы м я й це клеткам или обеспечить восстанов ление поврежде н н о й ткан и . И тол ь ко когда и х акти в ность выходит и з-под контрол я или о н и каким-то образом и з ме н я ются, н а ч и н ается неуправл яемое размноже н и е кле раком . называют которое ток, О пределе н и е взаимоотношен и й между п ротоон коге н а м и и подав л я ю щи м и генами - гла в н а я цель воз исследован и й , п р едстоя щих м ожно, п оследн и й барьер н а пути к разгадке тай н ы рака. Н о кто зн ает, какие новые воп ро- сы в оз н и к н ут и как и е п опутные тайны от кроютс я , едва успеют ра зобраться с этой важн е й ш е й проб л емой . Теперь вам уже ясно, что элегантная простота ген ет и ч еской с истемы н а самом деле - высочай шая степень сложной целесооб разност и . Ирон и я состоит в том, что до того, как возн икла генети ческая и нжен ер и я и научились уверен но и свободно ман и пул иро в ать с н асл едствен н ы м кодом, ка залось, что о ДНК почти все из в естно. Оставал ись, конеч н о, какие то п устяковые детал и , которые н е обходимо было уточ н ить, н о в об щем и цел ом все стояло н а с в о и х местах. И в о т , п роизвод я н а генном ап п арате оп ерац и и , о которых и мечтать л ет п ятнадцать н азад н икто бы не п осмел , л юд и вдруг пон ял и , ч т о все-таки зн ают о ДНК еще очень мало. С каждой н овой серией экспериментов п о яв л я ются все новые сюрпризы и за гадк и , «Стабил ь н а я , точ н а я , упорядо ч е н н а я » ДНК в де йствительности полна капризов и та й н . Вне сомн е н и я , с юр п ри зов по мере углубл е н и я в детал и буд ет без счета. И од ин из н едав н их -«блуждающие» ге н ы . За с луга в экспер иментальном обнаруже н и и и изучен и и эти х «Лю бителей путешествовать» п р и н ад лежит члену-коррес понденту АН СССР Г. П. Геор гиеву, которы й в 60-х годах заслужил м и ровое п р и з н а н и е за открытие ядер но го п редшествен н и ка и н формацион н о й Р Н К и обн аруже н и е и рас ш иф ровку нового кл асса в нутр иклеточ ных ч аст и ц - ядер н ы х и нформасом. Р аботы был и удостоен ы в 1 976 году Л е н и нской прем и и . Итак, еще и какие-то там «бл уж дающие» ген ы , хот я ведь всем известно, что к ажд ы й и з генов и меет строго закреплен ное место в определенном у ч астке опреде л е н н о й хромосомы. Этим именно обес п е ч и в аетс я постоянство наслед ствен ного кода, п р и з н аков , переда ваемых и з покол ен и я в поколен ие. 1 54
Т АйН А «БЛУЖДАЮ ЩИ Х • ГЕН ОВ
Очерк I V Те>л ько что в ы узнал и , к к а к и м роков ы м последст в и я м п р и водит не заплан ированное изменение одной еди нствен н о й «буков к и » ш ифра, а тут цел ь1й ген бродит, как кошка, которая гул яла сама п о себе" . Тем н е менее так и е гены обн а руже н ы . О н и м огут исчезать из своей хром осом ы, встраиваться в другую, застав л я я РН К с ч и т ы вать новую и н ф ормаци ю, передавать ри босомам коп и и на производство други х белков . Еще н есколько де с ятил етий н азад - в 40-х годах п о я в и л ись первые с в еден и я о п од в ижности некоторых ген ети ч ес к и х элементо в . О д н а к о он и н е п ол у ч ил и в то время п одтвержде н и я и с ч итал ись малозначащ им исклю ч е н ием и з правила. Ведь тогда не умел и еще в ыдел ять и з м н ог и х сотен г е н о в жи вотной клетк и тот, которы й н уже н . С появлен и ем ген н о й и нжене р и и , открытием бактери а л ь н ы х плаз мид стало возможно встраивать в эти мален ь к и е автоном н ы е хро мосомы отдел ь н ы е, сравн ител ь н о н ебол ь ш и е у ч астки ДНК в ы с ш и х ж и в от н ы х и заставлять бактер и и н ара п родукци ю б ат ы в ать чужую фрагменты Д Н К , отдел ь н ы е ген ы в бол ь ш и х кол и ч ествах, чтобы изу чать и х . С помощь ю ген н о й и н же н ер и и груп п а исследовател ей во главе с Г . П � · Георгиевым изучала выделен н ы е ген ы п л одовой муш к и - дрозофилы и установила уди в ител ь н ы й факт : рас п ол ожение ге нов и з раз н ы х особей одн ого и того же в ида оказалось соверш е н н о разл и ч н ы м . Кажд ы й такой генети чес к и й элемент был п редставлен в клетке двум я-трем я десяткам и . У бл и з к и х родствен н и ков н е менее трети элементов были рас п ол ожены по-разном у, а у неродстве н н ы х почти невозмож н о было найти ген ы , зан и мающие одн о и то же место на хромосомах . . Авторы н аз в ал и обн аружен н ы е и м и элементы - отрезки п осл едо ДНК -«мобил ь н ы м и в ател ь н остей то генам и » , дисперг и рован н ы м и есть генам и , «бл уждающ и м и » , «раз бросан н ы м и » п о хромосоме. Так в п ервые в д в ух и нст итутах А каде м и и наук СССР был и от крыты гены была п утешествен н и к и . Работа удостоен а Государствен н о й прем и и и с п устя н есколько л ет п одтвержде исследова м н огоч исл е н н ы м и на н и ям и в и нст итутах других стран . «Блуждаю щих» ген ов в клет ках мн ого. Тол ько из генетического ап парата дрозофил ы выдел�но около 20 семейств. Знаменател ь но, что перемещающиес я ге н ы обн аружены и у млекопитающих. То есть открыт н ов ы й , неиз вест н ы й кл асс ген ет и ч еских эл ементов . Каждый из бл уждающих генов состоит и з нескол ь к и х тысяч звень ев - н уклеот идов, а н а обоих кон цах располагаются оди н аковые участк и , структура которых рас ш ифрова н а в сложных и трудоем ких опытах. Таким образом, уда л ось пон ять, как именно п ереска к и в ают гены с одного места хромо сом ы н а другое и как о н и работа ют - руководят с и н тезом Р Н К . Ока залось, что у начал а гена-путешест вен н ика рас п ол ожен особ ы й уч ас ток - п ромотор, включающий с и н т е з Р Н К , а у кон ца н аход итс я участок, обеспеч и вающи й п одв иж н ость. Предпол агают, что сущест вов а н ие генов, с п особ н ы х к пере м ещен и ю , обес п еч и в ает и н д и в и дуал ьн ость каждого орган изма од ного и того же в ида, его у н и кал ь н ое отл и ч ие. Т а к , у н из ш и х орган измов п одв ижн ы е, с п ос е>б н ы е п ерех·од ить и з одной клет к и в дру гую плазмиды обес п е ч и в а ют устой ч и вость бактер и й к антибиот и кам . У плодовых мушек «блуждающие» ген ы , встраи в а ясь в разл и ч н ые х ро мосомы, способны вызывать удиви тел ь н ы е самопроизволь н ы е п ревра щен и я - мутаци и в звен ь я х Д Н К . Поскольку о д н а точ е ч н а я мутаци я способна управлять знач итель ным блоком генов, у . мушки могут 1 56
ТА Й Н А «БЛУЖ Д АЮ Щ И Х» ГЕ Н О В и з меняться сегменты тела, напри гократно увел и ч ивают пла с т и ч ность мер и з менится форма крыльев. н аследствен н ы х с в ойств орга н и зма. Гла з может п ревратиться в поло Но есть и еще оди н серье з н ы й вые органы, ча с ть брюшка, кото аспект - в каких-то случаях по рая в норме не имеет отростков, д о з ревают ответствен н ость «бл уж п реобра з оваться в часть грудк и , дающих » генов з а н екоторы е н а и и з н ее растут лап к и . В общем , рушени л нормал ь н о й деятел ь н ос т и некоторые гены и их отре з к и « П ры генет и ч еского а п п арата, в превра гают» в самые н еожидан н ы е места, щен и и п ротоон коге н ов в агресс ив п ередви гаясь из одной ч асти ген о н ы е онкоге н ы . Ведь есл и ген в ма в другу ю . Хромосомы как бы сво и х блуждан и я х случа й н о попадет о б м е н и ваются «п акетами » ДНК. на место р ядом с тем и л и и н ы м С п особность «блуждающ и х» ге п ротоон когеном, он м ожет « вклю нов вы з ывать « н е з акон н ы е реком ч иты> его в акт и в н у ю работу. б и н аци ю>- перегру п п и ровку участ . И з десь ос об ы й интерес п р едстав ков ДНК - навел а ученых н а мысль л я ет то, что между «блуждающи о том, что эти « п утеш ествен н и к и » м и » ген ами и некотор ы м и в ы з ы могут и грать важн ую роль в про в а ю щ и м и р а к в и русам и обн аружи цессе эвол юци и . Ведь с их по лось уди в ител ь н ое сх одство" . Новые факты обруш иваются л а мощью эвол юц и я - и з мен ч и вость в идов - может проходить до з иро в и н о й , тол ько успевай осмысл и ван н ым и скачками з а счет п ере вать, и , во з можно, м ы с вами ста мещен и я генов н а новые хромосо н ем с в и детел ям и , а может, и вер м ы и перефор м ирован и я и х . И н ы м и ш и т ел ям и вел и кой побед ы человека словами, «блуждающие» ге н ы мно- над раком. 1 57
ЗА КЛ ЮЧ Е НИ Е м ы прик оснулись к удивитель н о му м и ру основ ж и з н и . П � оникли в заповедны е н е ра � того совершеннеишего механи з м а , которым в конце концов п ревра тил нашу Землю в 1юлы б ель разум а . Закономерности, управляющие живой материей, продиктованы основопо ла гающими закона ми при роды. И наче и быть не мо же т . Потому что все слагающие клетку структуры составлены и з тех же молекул, атомо в и элементарных частиц, что и неживые о бъекты. Но , в о тличие о т ф и з 111ш и хи м и и , фу ндаме нтальные основы которых уже давно отли л и с ь в точную математическую ф ор му , физико химия жиз н и разра батывается и совершенствуется буквально на наших гла зах. Вот по чему столь де рзновенными пр едставляются е е н ы нешние достиж е н и я . Вот по чему п о и с т и н е б е з м е р н ы открывающиеся горизонты . Ра зум человека создал технологическую цивилизацию. С по мощью необыкно венно у м н ы х и у мел ых машин мы покорили пространство ма кро - и микромира . Сократили в р е мя , освоили свою п л а нету и устремились в ко смос и глубины океана . Н о машинная техно логия и м е е т и о боротную сторону . П ри р о да з а ды хается от отходо в самых различных производств, от чуждых ей соедин е н и й . П о сти гая закономе рности живой материи , р азу м человека мо жет уже сего дня и зба вит ь ее о т эт ого непосильного бремени, причем без всякого у щер ба д л я по бедно й поступи научно-техни ческого прогресса . П р и м е р а м нет числа. П ро жорливые невидимки не только съедят губящую морские берега нефть, но д адут на м ценный кормовой бело к . Другие микрооргани з м ы п р е в ра тят городские с валки в комбинаты по производству безвредного горючего для автотр<ш спорта. Из одной-единственн о й клетки можно будет вырастить целый лес. Экономные и чистые х и м и ческие комбинаты, работающие по принципу живой клетки, « живые » компьютеры иа м олекул ах бел�;а вместо полупровод никовых я чеек, - в с е это не сказочн ы е мечты , а реальность завтрашнего дня . Потому что уже сего дня действуют крупные о трасли промышленно сти, где глав нь� е произв одители продукции - микробы, а используемое сырье - отходы нефти и п р и родного газа. Уже в промышле н н ы х масштабах из о тдель ных клето 11 в ы р а щ ивается м а с с а редкостного корня ж е н ьшеня для нужд медицины и парфю м е р и и . Для распо знавания и лечения болезней уше и с пользуют медикаменты, синтезированные по тем же принципам, '! Т О изна чально залошены в человече ском орга низме . Такие препа раты точно н а це лены в больно е место и не о ка з ы в а ют ни каких побочных воздейс твий . Причем биологическая технология стреми тельно со вершенствуется, о чем мо шно судить хотя бы по стоимости получения вездесу щих ферментов. Лет десять назад производство одного грамма Jшпсина о бходи лось в 30 рубле й . Сейчас столько стоит целый кил ограмм. В п ечатляющи и перспективы био логического преобразования солне чно й эне ргии . Если сегодня , как и испо1юн веков, растения фотосинтезируют, исполь зуя только одну тысячную долю всех падающих на Землю даровых солнечных луч ей, то с п омо щью н а уки мо шно перерабатывать в 300 раз больше . Что это значит, легко п р едставить, если вспо м н и т ь , что расте н и я , появивши с ь на планете, создали всю ту биосферу , в которо й мы шивем. Грядет величайшая из научно те х н и ческих революций - биологическая. Под новой биот; хнологией подразуме : вают не п р о сто и с пользова н и е , а р а дикальное улучшение создан н ы х при родо и систем и организмов. Узнав, к а к устроена и совершенствуется ш и з н ь , вы, те, кто будет жить в XXI веке, станете тво рить свою технику по тем же самым зако н а м , ни в чем не н а рушая гармонию приропы. 1 58
СО ДЕ РЖ А НИ Е В В ЕДЕНИЕ 4 К О М М Е Н ТА Р И Й « БИ О » - З Н А Ч И Т « Ж И З Н Ь » 6 И НТ Е Р В Ь Ю 1 Член-корреспондент АН СССР Г. Иваницкий ПРИ РОДА М Ы СЛ И Т Ф О Р МУЛА М И 16 ОЧЕРК 1 А РХИ ТЕКТУРА КЛЕТКИ 24 К О М М Е НТА Р И Й 2 КАК О Ж И ВАЕТ МОЛЕКУЛА 34 И НТЕРВЬЮ 2 Академи к Ю. Овчи н н шюв СТУ П Е Н И П О З НА Н И Я Ж И В О Г О 48 ОЧЕРК I I ТАЙ Н О П И С Ь П Р И Р О Д Ы 64 И НТЕРВЬЮ 3 Акаде м и к А. Баев « НО Ж Н И Ц Ы » И « В Ы К РО Й К И » ДЛЯ Б И О М О Л Е КУЛ 76 К О М М Е НТА Р И Й 3 М И К Р О В СЕЛЕ Н НАЯ РЯ Д ОМ С НАМИ 94 И НТЕРВЬЮ 4 Академи11 Г. Скрябин РА Б О Т Н И К И - Н Е В И Д И М К И 106 О Ч Е РК I I I « Н ЕТ Б Е З О Б РАЗИ Я В П Р И Р О Д Е ! . . » 1 22 ОЧЕРК I V ТАЙ НА « БЛУЖДА Ю Щ И Х » Г Е Н О В 148 ЗАКЛЮЧ Е Н И Е 1 58 1 59
К ч и тател я м Отзы в ы об э т о й к н и г е п р о с и м п р и с ы л а т ь п о адресу : 1 25047, М о с к в а , у л . Г о р ь к о г о , 43. Д о м детской к н и г и . Д Л Я С ТА Р Ш Е Г О Ш КО Л Ь Н О Г О В О З Р А СТА Е л е н а С е р г ее в н а К н о р р е ЖИВОЕ В ПРОЖЕКТОРАХ НАУКИ Н а у ч н о-х удожеств е н н а я � итература Ответств е н н ы й редактор Л . А . ЧУ Т К О В А Х удожеств е н н ы й редактор О. К. КОНДАКОВА Те х н нческ н е редакторы Т. Д. ЮРХАНОВА и М . В . ГА Г А Р И Н А К орректор Е . И . ЩЕ Р БА К О В А И Б N O 83 66 С д а н о в н абор 0 5 . 0 3',86. Подписано к п е ч а т и 1 0 . 1 0 . 8 6 . А 1 02 53 . Фо р м а т 7 0 Х 1 04 1 / 1 5. Б у м . о ф с . № 1 . Ш р ифт ж у р н .-рубл . П е ч а т ь о фс е т н а я . У с л . n е ч . л . 1 3 , 5 . Ус л . к р .-о т т . 5 5 , 3 5 . У ч . - м э д . л . 1 2 ,3 8. Т и р а ж 1 00 ООО э к з . З ак а з № 897. Це н а 1 р . 40 к . О р д е н о в Т р у д о в о г о К р а с н ого З н а м е н и н Д ружбы народов 1о1здател ь с тво « д етска я л ит е р атур а�• Государс т в е н н о г о к о м и т ет а Р С Ф С Р по д е л а м 1о1 зд-ател ь ств, n о л и г р а ф н 1о1 и к н и ж н о й торго в л и . 1 03 720, М о с к в а , Це н т р , М . Черкасск и й п е р . , 1 . К ал и н и н с к и й - ордена Трудового К р а с н о г о З н а м е н и п о л н r р а ф к о м б и н а т детской л и т е р а т у р ы а.t м . 50-л е т а.t я С С С Р Р осrл а в п о л и rрафп рома Госкомиэдата Р С Ф С Р. 1 70040, К а л а.t н и н , п р о с п е к т 50-л е т и я О к т я б р я , 4 6 . К53 Кнорре Е. С. Жи вое в п рожекторах науки : Научно-худож еств е н н а я л итература / Оформ л . Б. Чупрыги н а , В. Хра мова, М . Боч кова, Б. Р у ч к и н а , В. Германа, Е. Лео нова.- М . : Дет. л и т . , 1 986. - 1 59 с.1 ил .- ( « Горизон ты познан и я » ) . В пер.: 1 р. 40 к. К н и га о п е р е до в ы х н а п р а в л е н и я х ба.tоф и э и к и , б и о ор r а н н ч ес к о й х н м н н , м н к р об и о л о r н а.t , в и р усол о r и н , о · д о с т а.tже н н я х н п е р с п е к т н в а х э т а.t х н а у к . С остонт и з очерков, и н терв ь ю с ведуща.tми у ч е н ы м и нашей с т р а н ы . t< 4801 000000 - 5 4 1 М 1 0 1 (03)86 076-86 ББК