Анатолий Клесов "Заметки научного сотрудника"

Резюме свадебный декоратор.
32. Иммобилизованные ферменты

Защита моей кандидатской диссертации в начале 1970-х годов примерно совпала по времени с началом новой эры в изучении и применении ферментов - эры иммобилизованных ферментов и инженерной энзимологии. Напомню, что ферменты - это катализаторы биологического происхождения, или биокатализаторы. Они, как и прочие катализаторы, ускоряют химические реакции. Но, в отличие от традиционных химических катализаторов - металлов и их комплексов с органическими молекулами, обычно получаемых искусственно, ферменты синтезируются живыми организмами - микробами, растениями, животными. И прочими насекомыми, червями, земноводными, морскими организмами и так далее.

Ферменты представляют собой - как правило - белковые образования, часто сопряженные с ионами металлов, а также сахарами и прочими органическими соединениями, которые иногда называют "коферменты". Ферменты по размеру больше молекулы, скажем, воды в тысячи и десятки тысяч раз. Если вода состоит из трех атомов, пенициллин, упоминаемый ранее, из 41 атомов, холестерин, опять же упоминаемый ранее, - из 68 атомов, то молекулы белков состоят из тысяч, десятков и иногда сотен тысяч атомов. Тем не менее белки можно выделить в индивидуальном виде, и сотни их, если не тысячи, уже выделены. Можно спорить, насколько в чистом виде они выделены, и придираться к долям процента примесей, но это опять же детали.

А поскольку ферменты - это крупные органические молекулы, состоящие из сотен и тысяч химических групп - аминогрупп, карбоксильных, гидроксильных и прочих, и многие из этих групп торчат наружу, высовываясь в воду, в которой фермент растворен, то для химика не представляет особого труда достаточно прочно присоединить какую- либо из этих групп к стеклянным шарикам, гранулам пластмассы, кусочкам древесины и прочим твердым или мягким "носителям". Ведь стекло тоже содержит доступные химические группы - гидроксильные. И целлюлоза - тоже гидроксильные, но в другом окружении, нежели в стекле. А пластмассы вообще можно подобрать на любой химический вкус. Короче, ферменты можно присоединить к водонерастворимым носителям и тем самым их "иммобилизовать". То есть в переводе с английского термина - "обездвижить".

Такими иммобилизованными ферментами на гранулах носителя можно наполнить колонну-реактор, поставленную, например, вертикально, и пропускать через нее раствор субстрата, то есть вещества, в котором нужно провести необходимое химическое превращение. Такое измененное вещество называется, естественно, продуктом. Так вот, субстрат прокачивается через колонну, раствор продукта собирается на выходе колонны, а активный, работающий фермент продолжает оставаться в колонне. То есть мы превратили его из гомогенного катализатора в гетерогенный.

Осознание этой концепции вызвало революцию в использовании ферментов для технологических целей. Результатом явилось создание инженерной энзимологии, то есть широкомасштабного использования ферментов для промышленных целей. В середине 1980-х в Союзе вышел восьмитомник под названием "Биотехнология", и один из томов так и назывался - "Инженерная энзимология". Авторами его были те, чьи имена уже упоминались выше, в других главах и другом контексте. А именно - И.В. Березин и его ученики, а также ученики его учеников. Эта книга была итогом десятилетней работы нашего коллектива, работы и осмысления.

Действительно, когда фермент имеется в нашем распоряжении в виде водорастворимого порошка, можно взять, например, раствор пенициллина и бросить туда щепотку фермента пенициллинамидазы. Я уже пояснял выше, что этот фермент химически расщепит каждую молекулу пенициллина пополам и образует так называемое "ядро пенициллина", которое нужно для синтеза новых производных пенициллина, например, ампициллина. Или амоксициллина. Или оксациллина. Или диклоксациллина. Или многих других, их испытано несколько сотен, если не тысяч. Вторая половинка - это малоценная молекула, не стоящая того, чтобы о ней здесь говорить. Реакция-то осуществится, но щепотка фермента потеряется. Ее уже не вернуть. Точнее, вернуть можно, но затраты на это будут больше, чем стоимость полученного "ядра пенициллина". Экономика с отрицательным результатом. А если использовать иммобилизованный фермент - то его и выделять не надо. Он же остается в колонне, на гранулах носителя. Промыл его, слил воду, и все дела. Можно использовать опять.

Одно из первых практических применений иммобилизованных ферментов и было как раз применение иммобилизованной пенициллинамидазы для получения новых пенициллинов. Это была та самая работа, за которую наш коллектив получил Государственную премию СССР по науке и технике.
А в Италии использовали иммобилизованную лактазу для удаления молочного сахара (лактозы) из молока. Это была интересная разработка. Дело в том, что многие люди не могут пить молоко. Точнее, технически могут, но испытывают от этого серьезный дискомфорт. Их организм по причинам генетического характера не имеет фермента лактазы, который быстро расщепляет эту самую лактозу на два других сахара - глюкозу и галактозу. С ними организм легко справляется. А лактазу не любит, она вызывает аллергии, когда находится в организме длительное время. Так вот, если молоко обработать лактазой, то расщепление лактозы на те два сахара произойдет не в организме, а прямо в молоке. Получится в некотором роде диетическое молоко. Итальянцы и осуществили эту обработку молока в колонне непрерывного действия, содержащей иммобилизованную лактазу.

К началу 1980-х годов в мире работали уже восемь технологий с применением иммобилизованных ферментов. Помимо двух упомянутых здесь (гидролиз пенициллина для получения полусинтетических антибиотиков пенициллинового ряда и получение диетического безлактозного молока), были:
        - превращение глюкозы во фруктозу (медовый сахар) с помощью иммобилизованной глюкозоизомеразы,
        - получение сахаров из молочной сыворотки с применением опять же имобилизованной лактазы,
         - разделение оптических изомеров аминокислот с помощью иммобилизованной аминоацилазы,
         - получение оптически активной аспарагиновой кислоты с применением иммобилизованной аспартазы,
         - получение оптически активной яблочной кислоты с помощью иммобилизованной фумаразы,
         - превращение сахара в глюкозо-фруктозные сиропы с применением иммобилизованной инвертазы.

С чувством определенной профессиональной гордости должен отметить, что эти разработки не прошли мимо меня. Помимо работы в этой области и написания части книги "Инженерная энзимология", о которой упомянул выше, я написал книгу "Применение иммобилизованных ферментов в промышленности", которая была опубликована в Союзе, а также издана ООН на английском языке в виде отдельной книжки в 1989 году.

К настоящему времени наиболее массовое применение иммобилизованные ферменты нашли в медицине, точнее - в аналитических применениях в медицине. Ферменты наносятся и прочно фиксируются на датчиках, электродах, на пластиковых стаканчиках, на мембранах и фильтрах, которые можно использовать либо многократно, либо однократно, но не загрязняя ферментом анализируемый раствор.

Теперь это - устоявшаяся область применения ферментов. Но на это потребовалось почти тридцать лет - с начала 1970-х до конца 1990-х.

33. Непричесанные мысли о науке. Конференции молодых ученых

Настоящая научная работа не нормируется по времени. Я с трудом могу представить научного сотрудника, который ограничивает свою научную деятельность, скажем, с девяти до пяти. На самом деле просто не могу представить. Как и писателя или поэта, который творит только с девяти до пяти. В этом смысле семье увлеченного научного сотрудника не позавидуешь.

Как-то, выйдя засветло из своей лаборатории в Гарварде и отправившись домой, я поймал себя на мысли, что мне неловко, неудобно, совестно. Что, если сотрудники или просто знакомые увидят, что еще светло, а я работу на сегодня уже завершил? Это было как-то противоестественно. Ясно, что мысль была дурацкая, но она была. А ведь я был уже не молод, сорок лет с гаком.

В этом отношении для научного сотрудника чрезвычайно важно иметь жену, которая понимает его увлечение наукой. Наверняка это важно и наоборот - в отношении мужа увлеченной научной сотрудницы. А с женой мне невероятно повезло. Она была моей сокурсницей, и не только сокурсницей, но мы четыре года учились и в одной группе, численностью около 20 человек. В один и тот же год защитили кандидатские диссертации, только она защищалась в Физтехе, а я - в МГУ. Её диссертация была по физической неорганической химии - магнитные свойства комплексов двухвалентного ванадия, а у меня - по кинетике ферментативных реакций. В любом случае, она меня понимала и очень помогала. Мои ранние диссертации и должности были целиком вынесены на ее плечах, и я у нее в неоплатном долгу. И до настоящего времени - она мой благодарный слушатель и доброжелательный критик, когда я рассказываю ей об очередных научных проблемах, успехах и неудачах. Последних всегда больше, но так и должно быть.

Видимо, неотъемлемое качество увлеченного научного сотрудника - это постоянно взвинчивать темп работы, навешивать на себя новые и новые задачи. Но это возвращается широтой кругозора, опытом работы, новыми знаниями. Уверен, что это никогда даром не пропадает. Вспоминается эпизод. Я, младший научный сотрудник, совсем недавно защитил кандидатскую диссертацию. Идет заседание нашего отдела биокинетики. Заведующий отделом, Илья Васильевич Березин, заводит разговор, что пора нам взяться за написание учебника по ферментативной кинетике для высшей школы. Кто за это возьмется? Молчание. Наши кандидаты наук и прочие старшие научные сотрудники смотрят в пол, стараясь не встретиться глазами с заведующим. Написание учебника - дело хлопотное, да и неизвестно, получится ли. В общем, я вызвался. Давайте, говорю, попробую. Результатом явилось написание учебника под названием "Практический курс химической и ферментативной кинетики", который был издан в 1976 году, уже после моего возвращения из научной стажировки в США. Уже почти тридцать лет это - основной учебник по кинетике ферментов в Союзе, а теперь в России.

Прокручиваем время на четверть века вперед. Я уже давно работаю в США, и студенты наверняка считают, что автор учебника или давно почил в бозе, или доживает свои дни дряхлым старцем. Шутка ли, учебник вышел еще до их рождения. И вот я приезжаю в Москву. Утром поиграл в теннис и прямо как был - в теннисной майке и шортах и с ракеткой в руках - захожу на кафедру. В коридоре - группа студентов или аспирантов. Спрашиваю, не видели ли, и называю имя своего бывшего сотрудника. Нет, еще не приходил. Тогда передайте ему, говорю, что заходил такой-то, спрашивал, не дождался. И называю свою фамилию. У студентов-аспирантов округляются глаза, переглядываются. Да, говорю, тот самый. Передавайте привет. И - выхожу.

Приятно все-таки иной раз оказаться "живым классиком". Мелочь, а приятно.

А свою первую статью я написал в журнал "Химия и Жизнь" сразу после окончания университета. Тогда журнал только начал выходить. К нам на факультет пришли создатели журнала во главе с Михаилом Борисовичем Черненко, в то время главным редактором. Энергичный, живой, очень эрудированный, он понравился мне сразу. Они призывали студентов и сотрудников писать статьи для журнала. И напирали на то, что написать интересно можно обо всем. Даже о пуговицах. И я написал статью под названием "Химическая релаксация" про новый тогда метод изучения химических реакций. Как можно изучать скорости реакций с помощью возмущающих сигналов, выбивая реакцию из нормального хода и наблюдая возвращение ее в прежнее состояние. В этой статье я написал, что некоторые сообразительные дети, когда едят манную кашу, наверняка замечают, что борозда, проведенная в каше ложкой, затягивается с разной скоростью, в зависимости от температуры каши. Это и есть в некотором роде аналог химической релаксации.

Но настоящая проба пера у меня была годом позже, когда мы с И.В.Березиным написали научно-популярную брошюру, которая вышла в издательстве "Знание" под названием "Ферменты - химические катализаторы". Она даже получила второе место на Всесоюзном конкурсе научно-популярной литературы. Вот тогда-то мне писать впервые по-настоящему понравилось.

И еще понравилось участвовать в конференциях молодых ученых, особенно когда сам их организуешь. Наша первая, по ферментам, была в Пущино-на-Оке в 1971 году. Я еще и кандидатом наук не был, и тем более не имел понятия о научной дипломатии и правилах игры. Назначил себя председателем оргкомитета конференции, оплату гостиницы для участников провел через научный отдел ЦК ВЛКСМ, поскольку тогда был секретарем Комитета комсомола химфака по учебно-научной работе, договорился с пущинским Институтом биохимии и физиологии микроорганизмов Академии наук о выделении нам конференц-зала для заседаний и разослал приглашения по институтам. А поскольку правил игры не знал, то в письмах просто информировал директоров институтов о том, что такие-то молодые ученые приглашаются на конференцию, так что, мол, просьба их направить туда в командировку. Правда, некоторое недоумение проявил только академик Ю.А. Овчинников, директор Института биоорганической химии Академии наук СССР и вице-президент АН СССР. Он направил мне сдержанное ответное письмо, что неплохо бы дирекции Института знать, что за конференция, где будет проходить и какова программа, тогда уж дирекция решит, направлять сотрудников или нет. Это был первый урок, который я получил в отношении правил поведения в научных организациях. Первый, но отнюдь не последний.

Конференция в Пущино прошла, по общему мнению, блестяще, и мы решили продолжать и сделать эти конференции традиционными. И продолжали мы их почти двадцать лет, вплоть до моего отъезда в США. По размышлению, через эти конференции в СССР прошло целое поколение научных сотрудников нашего профиля - физико-химия ферментов. Мы проводили их в Ялте (Массандра), Архангельске (на Соловецких островах), Иркутске (в Листвянке), Петрозаводске, Тарту, Ташкенте, Цинандали, Абовяне, Баку, Самарканде, Паланге, Владивостоке, Вильнюсе, Бухаре, Киеве и других местах, что-то наверняка упустил. Это была хорошая школа научной жизни. Среди основных организаторов были те молодые ребята, кто потом стали профессорами, лауреатами премий Ленинского комсомола, Государственных и Ленинских премий, известными ныне учеными - Саша Клибанов, Володя Торчилин, Витас Швядас, Аркадий Синицын...

Когда мы сейчас собираемся за одним столом, то с теплотой вспоминаем то время, наши поездки по стране, самые разнообразные приключения. Ночные заплывы на МЭС (морская экспериментальная станция) в бухте Посьет Японского моря, где за плывущими оставался длинный светящийся хвост из местных микроорганизмов, что делало всю картину совершенно феерической. Видимо, вряд ли даже стоит добавлять, что участники этих заплывов не злоупотребляли плавками или купальниками... Вообще Владивосток и МЭС оставили у нас самые теплые впечатления - и замечательные люди, и красоты природы, и научные дискуссии. Вспоминается один занятный эпизод, когда после завершения научной школы на МЭС два докладчика из Москвы , лауреаты - один Ленинской, другой - Государственной премии, запершись на кухне после окончания банкета по случаю завершения школы, мыли в знак признательности всю посуду после сотни участников в то время, как хозяева школы в ужасе колотили в двери, умоляя дорогих гостей посуду не мыть. Я, по понятным причинам, опускаю здесь описания научных дискуссий, которые на самом деле и были центральной частью всех этих поездок.

На конференции молодых ученых в Тарту после заседаний была устроена сауна (Эстония же!) Вопреки обыкновению, были раздельные мужское и женское отделения, а в большом холле между ними были сосиски, пиво и танцы. Мы набрали в сауну изрядно пива и хорошо сидели, обсуждая научные и прочие проблемы. Потом пиво кончилось, и я пошел за очередной партией, обмотавшись полотенцем. В таком виде, что было совершенно нормально и принято, прошел через танцующие пары, захватил в обе руки восемь бутылок пива, что соответствовало количеству, близкому максимальному, и пошел обратно сквозь танцующих. И вдруг чувствую, что мое полотенце начинает разматываться и сползать. Выхода, естественно, было два. Либо бросать пиво и хвататься за полотенце, либо... Но даже спинным мозгом можно было сообразить, что восемь бутылок, зажатых между пальцами, просто так не бросить. Еще битого стекла не хватало на танцевальном полу, где большинство танцевали босиком! Поэтому я включил альтернативную программу, и, крепко сжимая пиво, помчался в свою сауну бегом через танцующих, безнадежно теряя полотенце на полпути...

Кстати, о саунах. На одной из наших конференций молодых ученых, кажется, в Паланге, устроители организовали нам сауну без этих премудростей в виде половых различий. Так оказалось, что я сидел в сауне по соседству с дамой, которой не знал. Там и представились друг другу. Или кто-то нас представил, это детали. Ну, посидели и посидели, поплавали в бассейне вместе с другими участниками и участницами конференции. На том наши пути разошлись. Прошли годы. И как-то мне понадобились данные по нашей биотехнологической промышленности для обзора, который я готовил в виде отдельной книжки для публикации в промышленном комитете ООН. Я стал наводить справки и выяснил, что эти данные можно получить в только что образованном Министерстве биотехнологии СССР, но мне их вряд ли дадут. Потому что министерства всегда неохотно предоставляют данные, тем более для публикаций. Тем более, что все эти данные обычно проходят под грифом "Для служебного пользования". И потому что дама, которая руководит тем отделом министерства, уж очень суровая. И называют фамилию дамы. Фамилия мне что-то напомнила - да, такая же была у моей собеседницы в сауне много лет назад. Неужели она? Звоню в министерство, представляюсь и говорю,что, мол, вы меня, наверное, забыли, но мы с вами, похоже, встречались как-то в Паланге, на конференции...
- Ну как же, как же, - говорит дама, - ну что вы, такое не забывается!
Все нужные цифры я получил тут же, не отходя от факса.
Это к вопросу о пользе саун для исследований и разработок.



(продолжение следует)