Эра биотехники

Зачем галофилам бактериородопсин? Родопсин глаза (зрительный родопсин) преобразует свет в нервный импульс, хлорофилл листа растений обеспечивает фотосинтез зеленой массы, в фотосинтезирующих бактериях бактериохлорофилл обеспечивает рост и развитие бактерий за счет энергии солнца. В галофилах, имеющих бактериородопсин, происходит преобразование энергии света в энергию для жизни этой бактерии, накапливается АТФ - известный аккумулятор, хранитель и переносчик энергии живой клетки животного и растительного мира планеты Земля.

Галофилы уникальные бактерии. Вероятно, они относятся к архибактериям, то есть к старейшим на планете, и возникли, быть может, десятки миллионов лет назад. Вероятно, тогда было мало кислорода и много солнечного света? Однозначного ответа нет.

Бактерии эти палочкообразной формы, длиной 5-10 микрон. Часть оболочки занимают фиолетовые пятна - участки оболочки, содержащие молекулы бактериородопсина. Под электронным микроскопом видно, что молекулы расположены строго периодично, напоминая плоский кристалл.

Если этот участок оболочки выделить из бактерии, то у нас в руках окажется биологический фотохромный элемент в виде пленки толщиной пять тысячных микрона и площадью около одного микрона. Под воздействием света она из фиолетового превращается в желтую и остается ею, пока не выключат свет. В темноте за одну сотую секунды возвращается в свое исходное состояние, становится фиолетовой. Переходы могут повторяться неограниченное количество раз, цикличность такого природного биохрома необычайно высока.

В 1978 году в одном из институтов Биологического центра Академии наук СССР, что расположен в подмосковном городе Пущино, из таких микропленок сделали фотохромную пленку нормального размера. Результаты испытаний удивили специалистов-фототехнологов, которые привыкли видеть в белке нечто неустойчивое, разваливающееся (денатурирующее) при малейшем повышении температуры, требующем специальных условий хранения. Считалось, что биологический фотохром - экзотика. Думали, что он работать в приборах и аппаратах не сможет.

Биохромные пленки оказались необычайно устойчивыми, выдерживают кипяток, жесткое излучение, действие кислот, мощное лазерное излучение и т. д. Кристаллическая упаковка белковых молекул бактериородопсина не позволяет им разрушаться при самых жестких внешних воздействиях. Это и отличает бактериородопсин от зрительного родопсина, который не кристаллизован и легко распадается на составные части даже под слабым светом.

Выращивают галофилы в специальных культиваторах-люмостатах.

Каждые четыре дня собирают "урожай" в виде биомассы из миллиардов бактерий. Их помещают в обычную воду, и каждая бактерия взрывается в прямом смысле этого слова, ее разрывает избыток соли. Это называется осмотическим шоком. Все органеялы бактерии и ее оболочка распадаются на мельчайшие фрагменты, а участки с бактериородопсином остаются невредимыми. Они тяжелее "мелочи", на которую распалась бактерия, в центрифуге они оседают на дно. Так получают суспензию этих фрагментов биохромных микропленок. Их смешивают с раствором полимера или желатины (она применяется для изготовления обычных фотопленок) и наносят в виде тонкого слоя на стеклянные пластины или на прозрачную ленту. Сегодня это редкий, если не единственный случай, когда автором и производителем фотоматериала является природа.

Использование бактерий для производства необходимых нам белков - это биотехнология. Недавно возникло новое направление - биоэлектроника. И, конечно, появятся новые направления науки и техники, названия которых будут начинаться с приставки "био": биочипы, биокомпьютеры, биосенсоры, биомикроустройства и биомакроустройства. Эта биотехника объединяет физику, химию, электронику с биологией.

Биотехнология - огромная отрасль науки с множеством направлении.

Поиск новых фоточувствительных белков продолжается. В той же галофильной бактерии обнаружено еще два белка. Один отвечает за фототаксис, управляет движением бактерии. Под воздействием солнца она опускается на глубину, при отсутствии света поднимается к поверхности.

Другой белок за счет света "перетаскивает" ионы хлора через оболочку бактерии и таким образом поддерживает одинаковые концентрации соли снаружи и изнутри бактерии. Если баланс концентраций нарушится, то бактерию разорвет, то есть произойдет осмотрительный шок.

В известной по школьным учебникам инфузории-туфельке обнаружен... зрительный родопсин! Удивительный этот факт показывает, как мало мы еще знаем. Зачем инфузории зрительный родопсин? Неизвестно.

Родопсинов в природе много. В глазах рыб, насекомых, птиц; родопсины отличаются типами белков, цветом, механизмом преобразования света.

Бактериородопсиновую молекулу можно "разобрать" на две части: белковую часть и ретиналь (витамин А). Вместо ретиналя можно синтезировать его аналог и снова "собрать" молекулярный комплекс. Мы получим аналог бактериородопсина, цвет которого будет зависеть от типа аналога.

Соответственно и пленки биохром будут разного цвета: желтые, оранжевые, синие, красные. Изменяется и время хранения записанного изображения. В некоторых пленках из аналогов оно в тысячи раз больше, чем в естественном бактериородопсине.

Для удлинения времени хранения записи можно добавлять различные химические и органические элементы в смесь бактериородопсина и полимера или изменять условия выращивания галофилов. Генная инженерия может заставить синтезировать молекулы бактериородопсина негалофильные бактерии, например, кишечную палочку. Микробиологи изменяют природные галофильные бактерии так, что те увеличивают "производительность труда", нарабатывают бактериородопсина больше, чем природные (дикие) штаммы.

Ожидается, что на их основе можно делать оптические диски для так называемой динамической памяти, необходимые для устройств обработки информации.

Мы рассказали только о бактериородопсине, только об одном его свойстве - фотохромности. Но он способен превращать световую энергию в электрическую, изменять цвет под действием электрического поля. Он идеальный электрет. Обладает прямым и обратным пьезоэффектом. Он универсал.