Глава четвёртая

ПРИРОДА И ТЕХНИКА: ДЖИНЫ ИЗ БУТЫЛКИ
                 Старые сказки всегда были полны символов со скрытым смыслом. Возьмем, например, сказку из "Тысячи и одной ночи", в которой рассказывается о юноше, нашедшем на морском берегу стеклянный сосуд; откупорив его, он освободил джина, способного исполнять все желания освободителя. Здесь говорится о приключении, тесно связанном с алхимическими знаниями арабов, с попытками средневековых алхимиков сотворить в стеклянной реторте духа настоящего эликсира жизни. В этом случае мы имеем дело со стихией, которой уже тысячу лет назад присуждалась способность творить чудеса. Эта сила способна, кроме всего прочего, превращать сладкий виноградный сок в благородное вино.
               Уже в давние времена наши предки догадывались, что эта таинственная сила должна находиться во всём живущем. Вопрос заключался, однако, в том, каким образом высвободить её из тайника и сделать её верным слугой, готовым исполнять все наши желания. Лишь овладение всемогущими энзимами постепенно претворяет этот стародавний сон человечества в жизнь.
               Перечислять, где всюду в природе находятся энзимы, не имеет смысла по той простой причине, что они присутствуют, собственно, везде: в человеке, в животных, в растениях и мельчайших организмах, которые находятся на грани живой и неживой природы. Приведём, тем не менее, хотя бы несколько примеров использования энзимов в природе.

ВСЁ НАЧИНАЕТСЯ С АДАМА И ЕВЫ. ЭНЗИМЫ В ПРИРОДЕ
              Когда Адам откусил кусок яблока, предложенного ему Евой, он мог наблюдать, если бы его внимание не было занято вопросами личного характера, следующее интересное явление: в месте укуса мякоть яблока моментально стала коричневой. Речь идёт о действии энзимов при попытке яблока закрыть рану, которая появилась при укусе. Коричневый слой призван охранить остальную мякоть от высыхания, от бактерий, плесени и от иных опасностей. Одновременно, под этим охранным слоем начинается оздоровительный процесс, в котором участвуют другие энзимы.
На месте укуса яблоко создает, с помощью энзимов, защитный слой
Рис.8. На месте укуса яблоко создает, с помощью энзимов, защитный слой.

                 То же самое происходит и тогда, когда поранились мы с Вами: всегда, согласно одному и тому же принципу, над раной образуется слой мобилизованных активных энзимов.
                Именно при помощи энзимов природа различными изощрёнными методами защищается против нежелательных явлений и атакует всех неприятелей. Грибы, на первый взгляд, абсолютно беззащитны, их не защищают ни колючки, ни твёрдая оболочка. Чтобы не служить другим легко доступной пищей, грибы защищаются с помощью ядов, которые вызывают у противника энзимные нарушения. Следует, кстати, подчеркнуть, что организм человека не производит никаких энзимов, способных грибные яды задержать, растворить и отстранить. Только некоторые виды животных научились в ходе эволюции производить соответствующие энзимы. Например, в организме свиньи, физиологически очень близкой человеку, содержатся энзимы, способные разлагать ядовитые грибные белки. Этот тип специальных энзимов возникает в желудке с помощью особых бактерий. Существует также множество животных, абсолютно нечувствительных к змеиному яду и укусам ядовитых насекомых, тогда как остальные при воздействии этих ядов тотчас погибают.
                 В качестве примера "энзимных войн" можно привести весьма курьёзный случаи из мира растений. В Африке растёт цветок, очень похожий на нашу незабудку. Речь идёт об очень чувствительном, нежном растении, нуждающемся в достатке свободного места. В нормальной ситуации это маленькое растение было бы очень быстро закрыто остальными растениями и, таким образом, бы погибло. Чтобы не погибнуть, этот цветок, в целях охраны, производит специальный яд, состоящий из соединений фтора, который в дождливую погоду оттекает к корням соседних растений. А поскольку соседние растения не обладают энзимом, способным этот яд обезвредить, то они постепенно погибают. Лишь одна-единственная незаметная травка является исключением, ибо производит необходимый энзим, а потому выживает. Вот и получается, что после продолжительного дождя на подобном "мёртвом" пространстве всегда можно найти уже упомянутый чувствительный, смертельно ядовитый цветок, и около него маленькую травку, обладающую энзиматическим противоядием. Примечательная история!
             Однако природа предлагает ещё более замечательные явления. Так, например, энзимы способны при затрате минимума энергии производить свет (определённый тип холодного свечения). Каждый светлячок обладает этой способностью. Данное явление называется биолюминисценцией. Такой свет излучают не только наши светлячки и их родственники в тропиках. С биолюминисценцией можно встретиться и у некоторых рыб, раков, грибов, во тьме морских глубин, а также у многих жуков, сороконожек и червей. Особенно замечателен один червь из Уругвая. Этот червь способен светиться в двух цветах. По обе стороны его тела светится ряд маленьких зелёных огоньков, а впереди его голову украшают два красных огонька. Пока что только ему самому известна причина этого явления. В поисках дальнейших светящихся живых организмов нет необходимости спускаться в морские глубины или ехать в Уругвай. Мы сами являемся в определённой степени излучающими объектами, хотя и довольно слабыми. Макрофаги, т.е. очень нужные "клетки - акулы", присутствующие в нашей иммунной системе, тоже могут излучать свет. И в кишечнике могут присутствовать чужеродные организмы, обладающие светящимся энзимом.
             Создаётся впечатление, что распространение энзимов не знает границ. При этом природа сумела организовать всё таким образом, что, например, энзимы, содержащиеся в эмбрионах некоторых небольших морских рачков, способны, благодаря специальной оболочке, выжить не только в вечной мерзлоте, но и в экстремальных условиях сухой пустыни, хотя, как правило, энзимы очень чувствительны к температуре окружающей среды. Были обнаружены микроорганизмы, на энзимы которых не действует вулканическая лава при температуре более ста градусов Цельсия, и даже более того, они погибают, когда лава перестаёт кипеть. Жизнь присутствует и в лаве вулканов, даже в самой сере живут серные бактерии, для которых, благодаря особым энзимам, неорганическая среда становится пищей. А в некоторых шахтах можно обнаружить такие микроорганизмы, которые осуществляют химические превращения соединений железа. Старинные мечты об оживлении металлов становятся почти реальными.
            Алхимики лишь догадывались, какая сила приводит в движение джинов, выпушенных из бутылок. Наука в последнее время постепенно приносит объяснение этим явлениям.

ТЕХНИКА КОПИРУЕТ ПРИРОДУ
           Совершенно естественно, что чем глубже наука познавала мир энзимов, тем более сильным было желание выпустить удивительных джинов из бутылок и воспользоваться их услугами. Областью, в которой учёные пытаются это сделать, является биотехнология. Развитие этой области можно разделить на четыре периода.
   1. Донаучный период - от возникновения человечества приблизительно до 1800 года. В течение этого периода биологические процессы широко использовались, хотя и не существовало никаких объяснений их сути.
   2. Ранненаучный период - между 1800-1900 годами, когда были открыты первые важнейшие биохимические принципы и началось их целенаправленное использование.
   3. Биотехнологический период - после 1900 года, когда промышленность поняла неограниченные возможности биотехнологий и начала их во всё возрастающей степени развивать и использовать.
   4. Период генной инженерии - после 1970 года - связан с началом биотехнологий на базе генной инженерии: наступила новая эра, в которой, как нам кажется, речь идёт о действительном управлении энзимами.
            Упоминание о биотехнологии можно найти в нескольких местах библии. Например, всюду, где говорится о превращении винограда в вино, теста в хлеб, молока в сыр. Каждый из нас, налив стакан вина и отрезав кусок хлеба с сыром, использует продукты биотехнологии, которые человечество целенаправленно использовало с незапамятных времён. Это те самые технологии, на которых базируется современная биохимическая промышленность, достигшая в настоящее время такого уровня развития, что именно она может стать решающим фактором не только нашего выживания, но и жизни на Земле вообще. И всё это потому, что спасение от экологических катастроф, которые грозят нам всё больше и больше, могут принести только биотехнологии, использующие энзимы.
Вернёмся, однако, к более простым вопросам. Наибольшее количество энзимов в настоящее время используется при варке пива. Огромные количества амилаз в солоде обеспечивают процесс квашения. Речь идёт о пищеварительных энзимах, которые производит и человеческий организм. Эти энзимы превращают крахмал в сахар; в пивоваренных заводах в настоящее время с их помощью осуществляется очень сложный и изощрённый процесс управления ходом биохимического квашения.
Превращение теста в хлеб происходит также при помощи амилаз. Амилаза, собственно говоря, была первым энзимом, так как греческое слово "энзим" в дословном переводе означает закваску. Этим словом обозначались дрожжи, которые вызывали вышеописанные перемены. В настоящее время мы уже знаем, что главным действующим компонентом в дрожжах (а значит, и в закваске) является содержащаяся в них амилаза.
             Амилаза разлагает крахмал. Этот процесс составляет основу пищевой промышленности. Источником амилаз ранее являлся, в основном, солод, зерно, а также микроорганизмы, например, плесени. Производство шоколадного сиропа, например, состоит в разложении крахмала, содержащегося в бобах какао, с помощью амилаз, выделенных из различных микроорганизмов.
В настоящее время пищевая промышленность способна получать амилазы с большой степенью надёжности и может, почти стопроцентно, обеспечить потребности биотехнологических производств. А потребности эти огромны и не исчерпываются только амилазой. Сюда входит почти не поддающееся перечислению количество энзимов. Эти энзимы в настоящее время используются, кроме всего прочего, при консервировании множества видов пищи, например, для увеличения сроков хранения молока, молочного порошка пли овсяных хлопьев, при производстве сахаристых веществ, при ликвидации помутнения овощных соков и при тысячах иных операций.

ПРАВИЛЬНО УЛЕЖАВШЕЕСЯ МЯСО
              Любое мясо перед кухонной переработкой должно размякнуть. Для этого используются энзимы. Их способность расщеплять мясные белки известна ещё со времён знаменитых опытов Реомюра и Спалланцани.
              Мясо помещают в холодильник "отлежаться", и там оно размягчается под влиянием протеаз - энзимов, расщепляющих белки. Поскольку температура в холодильнике довольно низкая, скорость действия протеазы невелика, это позволяет легко контролировать процесс размягчения. Мясо, таким образом, может появиться в кастрюлях и на сковородках в оптимальном состоянии, когда оно уже достаточно размягчилось, но ещё не достигло "несъедобности" в результате высокой степени белкового разложения. При более высоких температурах скорость действия протеаз настолько велика, что расщепление может привести к переходу в жидкое состояние.

ПРОБЛЕМА СЫРОВ
               Если мы прислушаемся к словам старой легенды, то узнаем, что открытие сыров произошло по чистой случайности. Один арабский купец, готовясь к путешествию через пустыню, запасся даже свежим молоком, которым наполнил бурдюки, сделанные из овечьих желудков. По пути через пустыню молоко, висевшее в бурдюках на верблюжьем боку, подвергалось воздействию солнечного тепла, колебалось при движении верблюда и, кроме того, на него действовали остатки пищеварительных энзимов в овечьем желудке. Благодаря всему вышеперечисленному, из молока по дороге стал мягкий сыр и сыворотка. Таким образом - будь похвален Аллах! - купец имел не только питьё, но и пищу. А кроме того, он стал "отцом" сыра.
               В скором времени было обнаружено, что инициирующее вещество, которое из молока делает сыр - это сычужный фермент, находящийся в овечьем желудке. На языке биотехнологии этот энзим, однако, не называется сычужным, его правильное название - химозин или ренин. Это - первый энзим, который удалось химически изолировать. Химозин использовался при производстве сыра в течение нескольких веков. Он добывался из четвёртого желудка жвачных животных, однако, всегда только от детёнышей. Всё дело в том, что, как только телята или ягнята начинают пастись (т.е. питаться травой), в их желудках, наряду с химозином. появляется и пепсин. При производстве сыра присутствие пепсина нежелательно, так как, кроме всего прочего, он меняет вкус сыра.
              Химозин содержится в желудках всех грудных детей: он исчезает из пищеварительного тракта только при переходе на другую пищу. Когда младенец отрыгает непереваренное материнское молоко, оно всегда имеет запах сыра. Причиной этого является присутствие химозина.
              До недавнего времени в химозине, получаемом из телячьих желудков, не было недостатка. Однако, с ростом потребления мяса, убойных телят становится всё меньше. Одновременно с этим увеличивается продукция сыра, а тем самым и потребность в химозине. По этой причине проводились поиски возможной замены химозина другими энзимами, однако, ни один из них не достигал его эффективности. При производстве итальянских сыров довольно часто используется добавки энзимов, полученных из миндалин телят и ягнят.
              Эта особенность придаёт многим видам итальянских сыров их особый пикантный привкус. Однако, между тем, промышленные биотехнологи решили эту проблему поистине элегантным способом. Химозин удалось получить при помощи определённых микроорганизмов.

СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ СТИРКИ
              Протеазы и амилазы, о которых шла речь в связи с приготовлением и промышленной обработкой пищевых продуктов, нашли широкое применение при производстве современных стиральных порошков. Однако, вначале возникли определённые проблемы. Протеазы животного происхождения действительно хорошо растворяют частички загрязнений, однако, не выдерживают одновременного кипячения. Высокие температуры уничтожали энзимы.
             Эту проблему удалось преодолеть так, что из некоторых видов бактерий были получены энзимы, менее чувствительные к влиянию тепла, и, в то же время, их можно было получать в больших количествах путём ферментации. Таким образом, возникли энзиматические детергенты.
            Первые стиральные средства этого типа пришли на рынок в 1963 году, причём, не из США, как можно было бы предполагать, а из Голландии. К сожалению, пока что это были только средства для предварительной стирки при температуре сорок градусов Цельсия. Использованные в них энзимы не выдерживали более высоких температур.
            Первый энзиматический стиральный порошок, способный выдержать температуры, подобные тем, которые выдерживают энзимы вулканических организмов, появился в торговой сети лишь в 1967 году. Однако, и он не был идеальным, так как вызывал в некоторых случаях аллергии и повреждения кожи. Поскольку попытки устранить эти недостатки при помощи различных видоизменений энзимов ни к чему не привели, производство подобных стиральных порошков было, в конце концов, запрещено. Поэтому биотехнологическая промышленность и в настоящее время занимается поисками энзимов, которые бы могли стать составной частью универсальных стиральных средств.
             Благодаря способности растворять белки, энзимы играют важную роль при устранении пятен в процессе химической чистки. Наряду с этим, энзимы занимают видное место и при чистке канализационных труб, при приготовлении питьевой воды, в текстильной и кожевенной промышленности, при ликвидации отходов целлюлозы, возникающих в огромных количествах при производстве бумаги, а также при уничтожении нефтяных пятен. Приведём, хотя бы в упрощённой форме, несколько примеров.

ШИТЬЁ НА ЗАКАЗ
              Успехи, достигнутые биотехнологией, поистине удивительны. Джин из бутылки, который бы мог делать то, что мы хотим, выпущен, однако, он не торопится исполнять наши желания. Тем не менее, благодаря проводимым исследованиям (ведущую роль в этой области в настоящее время играет Япония), мы всё же движемся в направлении решения следующей задачи: каким образом, с одной стороны, подходящим способом укрощать нежелательные свойства энзимов, а, с другой, сделать их менее чувствительными.
             Для решения этой задачи привлекаются микроорганизмы. Микроорганизмы - это живые существа, невидимые невооруженным глазом. К ним относятся бактерии, грибы, водоросли, одноклеточные амёбы и ряд других. Во многих случаях бывает очень трудно решить, к какому типу относятся данные микроорганизмы - растительному или животному. Общей чертой всех микроорганизмов является сравнительно простое энзимное хозяйство и готовность производить иные, "чужие" энзимы. Кроме того, время от времени, они выпускают все свои энзимы в окружающую среду, из которой их можно легко отфильтровать.
              Некоторые типы чувствительных энзимов можно обездвижить, укрепив их на твёрдых веществах, называемых носителями. В этом состоянии энзимы являются более стойкими, и время их активного существования увеличивается. Именно обездвиженные энзимы в настоящее время дают исследователям самые большие надежды на овладение энзимными процессами.
              Подобные проекты звучат совершенно фантастически. Вы не забыли о ранее упоминавшихся высохших или замёрзших зародышах маленьких морских рачков? Так вот, профессор Стивен Хэнд из Калифорнийского университета в Дэйвисе сумел проникнуть в эту загадку природы. Изучая эмбрионы этих рачков, он выяснил, что на них не оказывает никакого влияния ни замораживание, ни высушивание, ни даже хранение в подобном, близком к смерти состоянии, в течение нескольких лет. На свете существуют и другие живые организмы, способные пребывать в таком состоянии - некоторые моллюски, растения пустынь. Если мы будем содержать эти организмы в высушенном виде даже очень длительное время, то при добавлении воды они снова оживут. "Всё это очень похоже на приготовление растворимого кофе", - объясняет профессор Хэнд, - "Зальёте порошок водой и ароматный напиток готов!" Он обнаружил, что эмбрионы рачков хранят свои энзимы в вязкой жидкости, содержащей определённый вид сахара, называемый трекалоза. Этот сахарный сироп защищает энзимы как от холода, так и от высыхания.
               Потом профессор Хэнд растворил в цинковом растворе трекалозы и иные энзимы, при нормальных условиях очень чувствительные к температу-ре. После многократного замора-живания и размораживания профессор обна-ружил, что, вопреки этой повторяющейся процедуре, активность энзимов никоим образом не изменилась. После того, как будут преодолены "детские болезни" этого метода, его ждут широкие возможности применения. Например, с его помощью можно было бы стабилизировать инсулин, очень чувствительный к температуре.
               Совершенно иным путём, методом генной инженерии, фирме Гененкор из Сан-Франциско удалось сгруппировать аминокислоты в пищеварительных энзимах таким образом, что они перестали быть чувствительны к температуре, а также к кислотности среды (они выдерживают шкалу кислотности от кислой до щелочной). Изменение этих энзимов было, однако, еще более глубоким, они как бы стали своей противоположностью. В то время, как ранее они разлагали жиры и масла, после преобразования эти энзимы стали способными жиры производить. Таким образом можно было бы, например, превращать дешёвое пальмовое масло в масло какао; возможностей у подобных превращений очень много.

БИОЛЮМИНИСЦЕНЦИЯ
              Не каждый прогресс, однако, должен быть для человечества долгожданным благословением. Наряду с основными открытиями возникают и такие, без которых можно было бы спокойно обойтись. Подобный пример представляет биолюминесценция. Мы не знаем, почему уругвайский червь светится двухцветно, однако, мы знаем, как он это делает (точнее, на каком биохимическом принципе).
             Биолюминесценция всегда основывается на одном и том же принципе - она обусловлена энзимом люциферазой, получившем имя в честь дьявола Люцифера. Этот энзим, при одновременном воздействии кислорода, переводит комплексное биохимическое соединение, называемое люцефирин, в состояние свечения.
             Имитация этого явления была с успехом проведена в лабораторных  условиях. Люциферин и люцифераза, полученные из светлячков, были смешаны в пробирке с определённым соединением магния, а также с АТФ (веществом богатым энергией и биохимически незаменимым). Содержимое пробирки начало светиться.
             Большим специалистом в этой области является доктор Давид Оу из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Он умеет обращаться с люциферином и люциферазой с таким совершенством, что способен заставить светиться любой живой организм. Он может включить ген люциферазы в наследственную субстанцию прорастающего семени табака, после чего семя, при вложении в раствор люциферина, начинает не только прорастать, но и светиться таинственным зелёным светом.
             Всё это имеет свой смысл и значение. Усовершенствование этого метода позволило проводить опыты, которые ранее были невозможны. Так, например, по интенсивности свечения растений, обработанных вышеописанным способом и размноженных методом клонирования, можно невооружённым глазом контролировать, изменилась ли, в результате мутации, их наследственная субстанция.
             Несколько в ином направлении действовали, при использовании биолюминесценции, микробиологи из океанографического института Скриппса в Сан-Диего. Учёные выпрепарировали из определённых легко доступных микроорганизмов самостоятельные группы генов, отвечающих за свечение моря. Эти группы генов были названы люкс и были имплантированы в болезнетворные бактерии. Полученным таким образом бактериям была предоставлена возможность проникнуть в некоторые растения. По интенсивности свечения определённых частей растения можно было определить, в каких частях растения бактерии сосредоточились. И в этом случае причиной свечения являются люциферин и люцифераза.
             Описанные приёмы, естественно, приобретают значение и в медицинской диагностике.
            Побочные результаты научных исследований, однако, не всегда являются тем, чего мы с таким нетерпением ожидаем. Так, например, американские биологи, изучающие жизнь моря, предлагали ввести вышеописанную группу люксов в декоративные растения вокруг тротуаров или в рождественские ёл-ки. Проезжая мимо таинственно светящихся цветов или находясь перед светящейся ёлкой, нам бы показалось, что они осыпаны миллионом светлячков.
             Вернёмся, однако, к той области использования энзимов, которая для читателей, вне всякого сомнения, наиболее важна - к использованию энзимов в медицине, ведь в данном случае речь пойдет о нас самих, о нашем здоровье.

>>К СОДЕРЖАНИЮ>>