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 атома, 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, в насколько 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, – многие из которых 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», а 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.
Одним 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. Другое применение, которое было реализовано в Италии, – использование иммобилизованной лактазы 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 лактозу 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 работало уже восемь технологий с применением иммобилизованных ферментов. Помимо двух упомянутых здесь —
• гидролиз пенициллина для получения полусинтетических антибиотиков пенициллинового ряда,
• получение диетического безлактозного молока, еще —
• превращение глюкозы во фруктозу (медовый сахар) с помощью иммобилизованной глюкозоизомеразы,
• получение сахаров из молочной сыворотки с применением опять же иммобилизованной 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 и 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.
25. Целина и романтика. Мои родители и Сочи
После второго курса я опять поехал на казахстанскую целину, как это тогда называлось среди студентов. На самом деле это опять был студенческий строительный отряд, и строили мы на этот раз коровники. В отличие от прошлого года, когда моя первая целина была в значительной степени – по воспоминаниям – эйфорией, что не многие смогли бы понять, наблюдая полное изнеможение от рытья котлованов под фундамент, перемешивания лопатами бетона в бетономешалке в поле, перетаскивания кирпичей на носилках и прочих прелестей обычного труда в стройотрядах, на этой второй целине эйфории я не испытывал. И не столько потому, что наш прием был неважно организован, фронт работ не готов, стройматериалы вовремя не прибыли, сколько, наверное, потому, что я был капитально влюблен, и объект моей любви был от меня в нескольких тысячах километров.
Так получилось, что Галя, моя однокурсница и будущая жена (о чем я тогда не смел и подумать), была направлена на летние работы в составе стройотряда в Коломну, а я поехал на целину. И тут-то, на расстоянии, наши отношения стали разыгрываться. Я писал ей по два-три письма в день, благо свободного времени за счет плохой организации нашего труда было много. Она отвечала мне почти столь же часто, и письма приходили по несколько штук сразу. Через месяц стало ясно, что надо что-то делать. Я решил сорваться к ней в Коломну, но это было бы, на мой взгляд, дезертирством с целины. А я к таким вещам относился серьезно. Нужен был правильный повод. И правильный повод нашелся. Командиром коломенского отряда был Дима Леменовский, наш с Галей сокурсник и мой приятель, с которым мы дружим и по сей день и ездим друг к другу в гости попеременно: он с женой, тоже Галей, в Бостон, а мы обязательно видимся с ними в Москве, когда там бываем. Кстати, его жена Галя тоже наша сокурсница, много лет была ученым секретарем химического факультета МГУ, а Дима – давно профессор того же факультета, кафедра органической химии.
Профессора химического факультета, выпуск 1969 года. Слева направо – Д. Леменовский, С. Затонский, В. Сафонов, А. Клёсов, Н. Зык, М. Мельников, Г. Брусова
Так вот, Дима, как командир коломенского отряда, обратился с письмом к командиру нашего отряда с просьбой о выручке – направить к ним опытного каменщика, каковым он считает меня. Копию письма направил мне. Я отправился к командиру, и он принял решение, что надо ехать и помочь товарищам. Тем более что работы здесь все равно особенно нет. Месяц прошел, а сделано мало.
И я поехал в Коломну. Трое суток на третьей полке общего вагона, что само по себе было приключением. Вид у меня был подходящий для третьей полки – зеленая целинная студенческая форма с нашивками, значки. В общем, кто бывал на целине, тот поймет. Кто не бывал, не поймет ни за что.
В Коломне я честно доработал до завершения срока работ, то есть всего пару недель. Но с Галей мы провели вместе только два дня, после чего она поехала, как и планировалось, с подругами на отдых в Ивано-Франковск. Так что мы опять разъехались. Но ненадолго, потому что она из Ивано-Франковска через несколько дней сорвалась ко мне. Денег на обратную дорогу у нее не было, потому что весь ее отдых был «в пакете», дом отдыха плюс дорога. Она с подругой подошла к милиционеру в Ивано-Франковске и попросила тридцать рублей на поезд, в долг. Он не раздумывая дал ей деньги и свой адрес для перевода денег обратно. Тридцати рублей на билет не хватило, и Галя подрядилась убирать вагон на протяжении двух суток дороги. Так мы опять встретились, тут же перевели деньги милиционеру со всеми благодарностями, и я повез Галю в Сочи на показ моим родителям.