Рассказы о биоэнергетике

В 1905 году А. Харден и У. Йонг обнаружили, что для брожения необходим фосфат, а в 1914 году один очень известный немецкий биохимик предложил добавлять фосфат в питьевую воду для солдат кайзеровской армии, «чтобы улучшить энергообеспечение их организмов на марше». Этот экскурс биоэнергетики в военную практику кончился громким конфузом: солдатские желудки пришли в такое расстройство, что марш-бросок пришлось остановить у ближайших придорожных кустов.

Лет через тридцать после этого случая поспешное применение новых биоэнергетических сведений повлекло за собой более трагические последствия, чем понос в пехотном батальоне. Когда выяснилось, что разобщитель динитрофенол нарушает ассимиляцию пищи, его попытались применить как средство от ожирения. Люди, получавшие динитрофенол, действительно похудели, но спустя некоторое время у них началось тяжелое нарушение зрения. Неудивительно, что толстяки, оказавшись перед дилеммой: остаться полными, но зрячими, или стать стройными, но слепыми, — отказались от рекомендаций врачей, увлекшихся биоэнергетикой.

Да, биоэнергетики в долгу перед медициной. Мы слишком долго сами блуждали впотьмах, чтобы взято на себя смелость указывать путь другим. Однако с каждым прорывом на новый уровень знания прояснялась картина того, что происходит в клетках человеческого организма.

Мы уже можем точно сказать, как действуют многие лекарства. Грамицидин, например, нарушает изолирующий барьер мембран. В этом действии он неразборчив; что бактерия, что клетка больного — все равно. Поэтому грамицидин можно применять как полоскание, но не внутрь. Другое дело левомицетин: он блокирует синтез белка в бактериях и в наших митохондриях, но не влияет на этот процесс в цитоплазме клетки человека.

Левомицетин не столь опасен, как грамицидин, и если все же дает побочные эффекты, то их причину надо искать прежде всего в нарушении энергетики митохондрий.

Или фенилин, антикоагулянт, предотвращающий тромбозы, — довольно сильный разобщитель-протонофор. При передозировке есть опасность превратить в тепло всю энергию дыхания.

Объяснить болезнь еще не значит ее вылечить. Но это путь к научному поиску правильного способа лечения.

Мы знаем, что амитал, барбамил и другие снотворные-барбитураты блокируют дыхание в митохондриях на уровне первого протонного генератора дыхательной цепи. Есть вещества, введение которых приводит к образованию нового пути переноса электронов в обход поврежденного участка цепи. Так действует, например, витамин К3. А такой субстрат дыхания, как янтарная кислота, подключается к дыхательной цепи после звена, атакованного амиталом. Как знать, может быть, Мерилин Монро осталась жива, не опоздай биоэнергетики на пару лет со своим открытием эффекта янтарной кислоты и витамина К3?

Иногда задают вопрос: «А что может дать биоэнергетика для решения проблем энергетического кризиса?» Здесь прежде всего приходит на ум использование белков — генераторов фототока в качестве солнечных батарей. Действительно, такие батареи, судя по нашим данным, могут быть экономичнее подобных устройств, используемых сегодня в технике.

Если говорить о бактериородопсине, самом простом и стабильном среди белков-генераторов, то его практическое применение ограничивается прежде всего тем, что этот компонент приходится включать в очень тонкие, а потому нестойкие липидные пленки, соизмеримые по толщине с природными мембранами (то есть 70 ангстрем, или 7 миллионных долей миллиметра). Перенести протон через более толстые пленки бактериородопсину не удается.

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.