Рассказы о биоэнергетике

Хлорофилл-белковые комплексы сложнее бактериородопсина, зато есть шанс сорбировать их на электроде, с тем чтобы они переносили электроны с какого-либо вещества-донора на электрод.

Другой вариант — сорбировать на электродах окислительно-восстановительные ферменты и попытаться создать биологический топливный элемент.

В нашей лаборатории С. Варфоломеев и его коллеги взяли два таких фермента: один, окисляющий водород, и другой, восстанавливающий кислород. Сорбировав на одном электроде фермент-окислитель, а на другом фермент-восстановитель, они получили постоянный ток. При этом на первом электроде протекала реакция Н2 → 2Н+ + 2е, на втором — 1/2О2 + 2е + 2Н+ → Н2O. У такого топливного элемента оказался целый ряд бесспорных преимуществ и только один недостаток, но весьма досадный: ферменты, как всякие белки, имели малый срок жизни. Этот срок удалось резко продлить, когда в качестве сырья для получения ферментов вместо обычных бактерий взяли особый вид бактерий-термофилов.

За термофилами пришлось ехать на Камчатку. Там есть вулкан, из кратера которого вытекает нагретая до +130 градусов концентрированная серная кислота. У подножия горы поток кислоты впадает в речку с обычной водой. Чуть ниже места впадения, там, где температура «всего» +70 градусов, и был обнаружен особый вид бактерий, ферменты которых отличаются исключительной стабильностью. Достаточно сказать, например, что для активности фермента, окисляющего водород, температурный оптимум оказался +90 градусов.

Вернувшись в Москву с небольшим количеством удивительных бактерий, С. Варфоломеев наладил их культивирование и получил достаточное количество ферментов, чтобы поставить опыт по генерации тока. С этими ферментами стабильность биологического топливного элемента превзошла все ожидания: он мог работать месяцами.

Еще одна проблема биоэнергетики будущего — это биосинтез АТФ в промышленных масштабах. Хотим мы того или нет, но человечество идет к получению пищевых продуктов синтетическим путем. Чтобы решить эту задачу, потребуется синтез белков, жиров, углеводов и витаминов из простых соединений: углекислого газа, воды, аммиака — при участии соответствующих ферментов. Ферменты эти должны обеспечиваться энергией. АТФ — наиболее универсальная форма энергии, которую «узнают» такие ферменты. Вот почему фабрики синтетической пищи будут потреблять АТФ, как ГРЭС — уголь.

Массовые количества АТФ можно было бы производить за счет света в стабилизированных тем или другим способом протеолипосомах, содержащих бактериородопсин и протонную АТФ-синтетазу из термофильной бактерии. В сопряжении этих двух весьма устойчивых ферментов — преобразователей энергии видится сегодня тот наиболее перспективный принцип, который можно было бы положить в основу технологии производства АТФ.

Вскрытие механизма работы уже описанных биологических преобразователей энергии и практическое применение добытых знаний — вот ближайшая перспектива биоэнергетики.

А что, если попытаться заглянуть в более далекое будущее? Прогнозы в науке - неблагодарное дело. И тем не менее...

Давайте сначала обернемся назад и попробуем проследить, каким путем шли биоэнергетики все годы, составившие новейшую историю их науки. Быть может, продолжив этот путь в грядущее, нам удастся представить себе, что ждет нас впереди.

Безусловно, важнейшей вехой на пути биоэнергетики было открытие нового типа преобразования энергии в клетке - генерации протонного потенциала. Это открытие было подготовлено долгими и, казалось бы, бесплодными поисками, блужданиями в дебрях необяснимых фактов, которые привели в конце пятидесятых годов к пониманию того, что есть крупная нерешенная проблема - механизм окислительного фосфорилирования, не поддающийся объяснению в рамках привычных научных догм. В описании энергетики клетки пропущен какой-то важнейший аспект — вот ощущение того времени, что предшествовало рождению концепции протонного потенциала.

А как сегодня выглядит биоэнергетическая карта клетки? Есть ли на ней крупное «белое пятно», нерешенная проблема, по масштабам своим соизмеримая с загадкой окислительного фосфорилирования? Все ли типы биологических преобразователей энергии нам известны теперь, после открытия протонного потенциала?

Впечатление таково, что мы свели наконец концы с концами и на карте энергетических превращений не осталось достаточно обширных свободных мест. Но ведь такое же мнение складывалось в сороковые-пятидесятые годы, когда совершала свое триумфальное шествие концепция Липмана об АТФ как единственной конвертируемой форме энергии в живых системах.

Возникнет ли новый кризис идей в биоэнергетике? Если возникнет, я этому не удивлюсь. «Гораций! Много в мире есть такого, что вашей философии не снилось». Гамлет мог бы произнести эти слова и сегодня.

Недавно была обнаружена бактерия — спирилла, накапливающая в цитоплазме кристаллы окиси железа, частицы которого располагаются вдоль длинной оси клетки. Эти бактерии чувствуют магнитное поле. Они безошибочно ориентируются в пространстве относительно магнитных полюсов Земли, различая север и юг. Как намагничивают бактерии крупинки железа? Как реагируют они на магнитное поле? Какую роль играет эта их способность для жизнедеятельности? На все эти вопросы мы пока не можем ответить даже приблизительно. А ведь речь идет о магнетизме — давно изученном физиками явлении.

Что же сказать о гравитационном поле, если биологический аспект этой проблемы остается уделом «специалистов по телекинезу», которые вынуждены предполагать существование неизвестных физике «генераторов гравитации»!

Электрический ток был открыт Гальвани в опытах с лягушкой двести лет назад. Так биолог подарил физикам новый огромный раздел их науки. Как знать, не ждет ли физиков в будущем еще один такой подарок? Ведь история повторяется, в том числе и история науки...

Мы подошли к последней странице этой книги. Я пишу ее на вольном воздухе. В лицо упруго катит волны воздушный океан. Он раскачивает щиты оргстекла в деревянной раме — нехитрую оснастку моего «кабинета» на лоджии десятого этажа. Оснастка чуть колеблется и поскрипывает. Слева внизу милый сердцу лабораторный корпус. Впереди, на горизонте, у самой его черты, какое-то новое Беляево или Чертаново белеет грядой строек, а справа вдали Останкинская телебашня болит занозой в лиловом московском небе. Я очень горд этим своим открытием — писать на воле, в любую погоду, пока не замерзнут чернила...

Рассказы о биоэнергетике

О становлении и борьбе идей в биоэнергетике, о том, каким образом ученым удалось заглянуть в мир функционирующих белковых молекул, рассказывает автор — член-корреспондент Академии наук СССР.

Об авторе

Часть I. История новой науки

Глава 1. Чем занимаются биоэнергетики?

Рождение биоэнергетики

Глава 2. Что такое энергетический обмен?

Как клетка получает и использует энергию

АТФ клетки - разменная валюта

Где и как образуется АТФ?

Глава 3. От микробиологии к биоэнергетике

Муравьиный язык

Митохондрии производят АТФ в пробирке

Глава 4. Два пути

Факт или артефакт?

Стриженные голуби

Бурый жир

Глава 5. Крепкий орешек

Жертва «закона Паркинсона»

Ложная аналогия

Парадокс веществ-разобщителей

Глава 6. Митчел и его догадка

Начало пути

Чисто умозрительное построение

Хемиосмотическая гипотеза

Корни гипотезы

Одна из многих гипотез?

Глинн Хауз. Ослы и дети

Глава 7. Поражения и победы

«Глинновские лаборатории»

Первые опыты Митчела и Мойл

«Варшавская битва». Поражение

Серебряный звук трубы

Первая «Серая книга» Митчела

Протонофоры

Красные флажки на карте

Конформационная гипотеза

Ягендорф, Витт, Булычев и другие

«Чудо-ионы»

История повторяется

Карфаген должен быть разрушен!

Протеолипосомы

Глава 8. Белки-генераторы тока