Чтение онлайн

Около 100 лет тому назад в 1907 г. Эдвард Бюхнер (не путать с Эрнестом Бюхнером, изобретателем воронки Бюхнера) получил Нобелевскую премию за открытие ферментации бесклеточными экстрактами из дрожжей. Растерев дрожжевые клетки с кварцевым песком и отфильтровав полученную жидкость, Бюхнер получил «вытяжку», способную проводить ферментацию сахара так же, как и живые клетки.

С ферментацией (от латинского fermentare — вызывать брожение) человек ознакомился еще в доисторические времена, когда началось производство и потребление спиртных напитков. Но только лишь в XVIII в. было изучено, как происходит этот процесс, т. е. как сахар превращается в спирт и углекислый газ. Наблюдения А. Левенгука и классические опыты Л. Пастера показали, что ферментация возможна только в присутствии живых клеток.

Полученные Бюхнером результаты противоречили этим утверждениям. Объединить две противоположные точки зрения могло только предположение, что и в клеточном экстракте, и в самих дрожжах присутствует одно и то же действующее начало. Из этого следовало, что никаких различий между химией живого и неживого не существует и что действующее начало может работать и вне живой клетки, если его удается выделить из нее в нативном (неповрежденном) виде.

Этому действующему началу подобрали название — энзим (фермент), и с этого времени энзимология стала бурно развиваться. Оказалось, что в живой клетке присутствует множество ферментов (на сегодня их известно около 3700!) и они служат катализаторами всех протекающих в ней биохимических реакций. Ферменты намного эффективнее обычных химических катализаторов — по сравнению с ними они ускоряют реакции в сотни и тысячи раз. Ферменты участвуют в разложении веществ, биосинтезе, получении энергии, при фото- и хемосинтезе, передаче наследственной информации и даже для исправления в ней ошибок.

Одной из главнейших функций живого является сохранение вида. Для ее выполнения требуется проведение множества биохимических реакций. Сравнивая микроорганизм с микроскопическим заводом, можно сказать, что ферменты — обширный и разнообразный станочный парк этого завода. Они являются теми высокоточными инструментами, с помощью которых клетка штампует различные комплектующие, используемые для последующего монтажа изделия главного сборочного конвейера — новой клетки. Если же нас интересует один из продуктов метаболизма, то нужно выделить соответствующий фермент и использовать его для получения целевого продукта вне связи с общей задачей выживания.

Хотя ферменты и содержатся во всех живых клетках, в промышленных масштабах их получают в основном из клеток микроорганизмов. Это самый удобный источник получения ферментов, так как их концентрация может быть значительно увеличена за счет изменения условий культивирования или генетических манипуляций.

После получения и выделения ферментов необходимо, не нарушая тонкой структуры, сохранить их в работающем состоянии и создать условия, в которых их активность сохранялась бы достаточно долго. Подобно мифическому Антею, оторванному Гераклом от матери-Земли, ферменты, отделенные от клетки, быстро теряют активность. Эта проблема стабильности успешно решается с помощью техники иммобилизации. Ферменты прикрепляются химическими связями к носителю или включаются в объем органических полимерных гелей. Таким образом получают высокоэффективные, высокоспецифичные биокатализаторы пролонгированного действия, позволяющие поднять производительность многих производств.

Выделенные ферменты используются в виноделии и пивоварении, хлебопечении и сыроварении, при производстве спирта и уксуса. Ферменты находят все большее применение в медицине не только как катализаторы, но и как высокочувствительные и скоростные анализаторы. Производство ферментов достигло поистине промышленных масштабов: речь идет о сотнях и тысячах тонн готовой продукции.

Несмотря на огромные успехи, связанные с обнаружением новых ферментов с повышенной активностью и стабильностью, выделением их из клеток и стабилизацией их активности, мы по сути всего лишь повторяем на новом технологическом уровне работы, начало которым положил Эдвард Бюхнер. Но, конечно, успехи в сфере энзимологии огромны. Увеличился объем знаний о структуре ферментов, созданы новые представления об их активном центре и о механизмах протекания реакций. Все это (и многое другое!) вместе с огромными возможностями генетической инженерии позволит не только улучшать известные в природе ферменты, но и создавать новые, которых не существовало в природе. По-видимому, в ближайшие годы технологии получения ферментов с повышенной активностью и стабильностью будут быстро развиваться. И главную роль в этом по-прежнему будут играть микроорганизмы.

Еще несколько десятилетий назад сам термин «экология» был известен только специалистам. В наши дни статьи на тему защиты окружающей среды не сходят со страниц периодической печати. Почему это произошло?

Новый этап в развитии биосферы начался с появлением человека. Правда, вначале влияние его деятельности на нее мало отличались от воздействия на биосферу других живых существ. Человек получал необходимую для жизни пищу, используя продукты растительного или животного происхождения. При этом неизбежно образовывались отходы, но химические элементы, входящие в их состав, с помощью микроорганизмов возвращались в круговорот веществ. Так продолжалось достаточно долго, и не возникло бы никаких экологических проблем, если бы не рост производительных сил развивающегося общества. Человека перестали удовлетворять набедренная повязка и кусок мяса. Он захотел большего. Тейяр де Шарден в книге «Феномен человека» [6] пишет: «Теперь кроме хлеба, который символизировал в своей простоте пищу неолита, каждый человек ежедневно требует свою порцию электричества, нефти и радия, свою порцию открытий, кино и международных известий. Теперь уже не простое поле, как бы оно ни было велико, а вся Земля требуется, чтобы снабжать каждого из нас».

Освоив новые мощные источники энергии, человечество стало распоряжаться ими по своему усмотрению. Наличие энергии, с одной стороны, и развитие теории химического строения веществ — с другой, позволили синтезировать в больших количествах соединения, которые не включаются в круговорот веществ, а остаются вне действия биосферы как памятник человеческой бесхозяйственности. Но даже с этими «отходами», пока их было мало, людям удавалось справляться. Экологическая емкость Земли настолько велика, что до поры до времени они не оказывали серьезного влияния на ход природных процессов.

Однако по мере роста промышленного производства количество этих отходов увеличивалось и в конце концов в наши дни достигло такой величины, что игнорировать их существование человечество больше не может. Загрязнение окружающей среды уже оказывает негативное влияние на здоровье как минимум миллиарда жителей планеты. Конечно, можно попытаться организовать промышленное производство таким образом, чтобы оно по уровню замкнутости мало отличалось от природных циркуляций, т. е. технологически обеспечить полную утилизацию отходов. Иначе говоря, производство должно быть практически безотходным. Однако введение технологии с замкнутым циклом значительно удорожает промышленную продукцию.

Если же создать безотходное производство невозможно, нужно стремиться к тому, чтобы и его отходы, и сама продукция после использования были деградабельны, т. е. разрушались с такой же максимальной скоростью, с какой происходит деградация природных отходов. Теперь же в отдельных районах планеты, особенно в высокоразвитых промышленных странах, сложилось такое положение, при котором природа не способна «переварить» поступающие отходы производства и быта, что приводит к их накоплению и «загрязнению» ими окружающей среды.

К числу таких загрязнителей относят многочисленные, относительно безвредные для живой природы продукты в виде синтетических полимеров, которые накапливаются в почве и водоемах, однако никакого вредного воздействия на природу не оказывают, если, конечно, не считать, что какое-то количество углерода и других элементов изымается из кругооборота веществ. Примером таких загрязнителей могут служить различные пластмассы. Изделия из них легки, гигиеничны, прочны и устойчивы к действию влаги и температуры (разумеется, до определенных пределов). Пластмассы идут на изготовление сумок, контейнеров, всякого рода упаковок, словом, применяются буквально всюду. Казалось бы, вот пример вещества, которого в природе не существовало, но которое было создано на благо человеку. Но здесь есть, увы, и негативная сторона: в природных условиях пластмасса крайне плохо разлагается и выносится реками в океан. Масса гигантского мусорного «острова», находящегося в Тихом океане у западного побережья Северной Америки и состоящего в основном из пластика, составляет более 3,5 млн тонн, а площадь — более 1 млн квадратных километров. И все-таки пластмассы — безвредное в биологическом плане вещество. Худшим следствием его стойкости является реальная возможность в недалеком будущем проводить отпуск, загорая не на желтом кварцевом песке, а на обкатанных морскими волнами разноцветных песчинках полиэтилена. Кстати, на многих морских пляжах Атлантического побережья США уже появился такой «песок», и его доля по сравнению с обычным кварцевым продолжает возрастать. Однако с такого рода негативными явлениями еще можно мириться.