На отработку метода у Меррифилда ушло три года. В 1963 году в журнале Американского химического общества была опубликована его статья с изложением основных принципов и экспериментальных особенностей “твердофазного” синтеза пептидов. У статьи был только один автор, что даже в те времена считалось редкостью, а в наши так и вовсе чем-то невообразимым. Сейчас эта статья входит в пятерку самых цитируемых за всю историю существования этого престижнейшего журнала. У руководителей Института медицинских исследований было на сей счет, судя по всему, собственное мнение, и они прохладно отнеслись к идее Меррифилда о создании автоматического синтезатора пептидов. Возможно, просто не верили в осуществимость этой идеи, как не верили все остальные, за исключением самого Меррифилда и двух его друзей.
Они работали в подвале дома Меррифилда и через два года собрали первую автоматизированную установку. Гранулы полимера с растущим на его поверхности пептидом располагались в стеклянной колонке, через которую с помощью насоса прокачивались растворы аминокислот, других различных реагентов и промывные жидкости, которые в свою очередь засасывались по заданной программе из емкостей, расположенных вокруг установки. С тех пор в принципиальной схеме установки мало что изменилось, разве что добавились анализатор выходящего из колонки раствора, работающий в режиме обратной связи, и компьютер, управляющий работой всей системы.
Для начала Меррифилд с коллегами синтезировали на установке несколько пептидных гормонов, затем сразу перешли к синтезу белков – давней и тайной мечте Меррифилда, ради которой он, собственно, и затеял весь этот проект. Как вы уже наверно догадались, синтезировали они инсулин. В принципе его получали химическим путем и раньше, на это у группы профессиональных химиков-синтетиков уходило несколько месяцев. Меррифилд уложился в три недели.
В 1969 году Меррифилд вместе с Берндом Гутте синтезировал фермент рибонуклеазу А, состоящую из 124 аминокислот. Для этого им, а точнее говоря, автомату, пришлось осуществить 369 стадий химического синтеза[22] и около десяти тысяч различных технологических операций. При этом исследователи получили еще один принципиальный результат. Рибонуклеаза – это вам не инсулин, гормон по сути и строению. Рибонуклеаза – фермент со сложной третичной структурой и специфической каталитической активностью. Так вот оказалось, что синтезированная полипептидная цепочка при определенных условиях самоорганизуется в фермент, ничем не отличимый от природного аналога. Так был перекинут еще один мостик между неживой и живой природой.
Конечно, никто сейчас белки и ферменты так не синтезирует, природа справляется с этим намного лучше. И не все получается так гладко, как я вам только что описал, у метода твердофазного синтеза, как и у любого метода, есть свои недостатки и ограничения. “Сборка” полипептидов с длиной более 100 аминокислот признана в настоящее время экономически и технически нецелесообразной. Но ведь число “коротких” пептидов измеряется сотнями тысяч и многие из них востребованы в научных исследованиях, в медицине и биотехнологических процессах. Сейчас вам под заказ синтезируют за день любое из этих соединений, требуется лишь написать на листке последовательность аминокислот в нужном вам полипептиде, которую оператор затем введет в процессор автоматического синтезатора.
Меррифилд на этом не остановился. Он создал аналогичные установки для синтеза полисахаридов, в которых в цепочку соединяются различные молекулы углеводов и нуклеиновых кислот, фрагментов ДНК и РНК. Как мы увидим в следующей главе, сейчас без этих коротких олигонуклеотидных последовательностей, так называемых праймеров, не обходятся ни генные технологии, ни медицинская диагностика.В 1984 году Меррифилд был удостоен Нобелевской премии по химии. Будь моя воля, я бы присудил ему еще одну Нобелевскую премию за беспрецедентный поступок: ни он сам, ни Рокфеллеровский институт не запатентовали метод твердофазного синтеза, хотя имели для этого все возможности и основания. Они отдали его в безвозмездное пользование людям. Возможно, причина кроется в том, что Меррифилд был бойскаутом и до конца своих дней (он скончался в 2006 году) принимал активное участие в бойскаутском движении вместе с шестью своими детьми. Будь готов! Всегда готов!В настоящее время известно более 3700 ферментов, различающихся по катализируемым ими реакциям, установлена детальная структура большинства из них, многие используются в тонком органическом синтезе, фармацевтической промышленности, бытовой химии, сельском хозяйстве и защите окружающей среды. Между тем бум ферментативного катализа с очевидностью спал. В новостных лентах науки ферменты ушли в тень генных технологий, в промышленных же биотехнологиях, где ферменты работают де-факто, де-юре главенствуют микроорганизмы. Но можно сказать и так: ферменты стали настолько привычным элементом ландшафта науки, что при обсуждении “революционных” нанотехнологий о них зачастую просто забывают.
Падение общественного интереса к ферментам имеет и объективные причины. Эйфория 1970-х годов подогревалась верой во всесилие ферментов – без этапа “великих ожиданий” не обходится развитие ни одной новой области науки и техники.
Между тем ферменты не всесильны. За миллиарды лет эволюции Природа настроила их на осуществление строго определенных процессов, у людей же свои интересы. Нам для удовлетворения наших аппетитов нужно множество веществ и материалов, которые не значились в планах Природы, так что при их производстве природные катализаторы – ферменты нам не помощники. Высокая избирательность ферментов, их главное достоинство, сработала против них.
Кроме того, с нашей человеческой точки зрения ферменты нетехнологичны. Они слишком нежные создания и привыкли работать в тепличных условиях, при температуре живого организма. Стоит чуть поднять температуру (а это стандартный способ увеличения скорости процесса), как их активность падает, а то они и вовсе денатурируют. Да и работать они могут только в водных растворах, а воду технологи терпеть не могут – как растворитель она слишком активна и требует огромных затрат энергии на испарение – то ли дело органические растворители! И наконец, ферменты, по сути дела, катализаторы одноразового использования, их чрезвычайно трудно отделить от продуктов реакции без потери активности. Слишком дорогое получается удовольствие.Специалистам все эти недостатки были понятны с самого начала, просто они в своих полных оптимизма реляциях не акцентировали на них внимание. Но при этом значительную часть усилий направляли на преодоление этих недостатков. Именно энзимологи стали первыми химически “прививать” гомогенные катализаторы к поверхности твердого носителя. Так была решена проблема отделения от продуктов реакции (здесь энзимологи шли по пути, проторенному Меррифилдом) и многократного использования катализатора. В терминах сегодняшнего времени эти работы были примером конструирования нанообъектов. К поверхности неорганического материала – носителя – прививали органическую “ножку” длиной в несколько нанометров, а к ней в свою очередь молекулу фермента диаметром в десятки нанометров.Ученые стали также загонять ферменты в так называемые обращенные мицеллы. Это такие ассоциаты обычных поверхностно-активных веществ, растворенных в органических растворителях. В отличие от прямых мицелл, о которых я уже упоминал, в обращенных мицеллах полярные головки молекул ПАВ обращены внутрь, а углеводородные хвосты торчат наружу, как иглы ежа. И если прямые мицеллы способны поглощать органические вещества, то обращенные – воду, превращаясь, грубо говоря, в капельку воды диаметром в единицы и десятки нанометров, покрытую мономолекулярным слоем ПАВ. Если мы поместим в ядро обращенной мицеллы молекулу фермента, то он, находясь в привычной для него среде обитания, будет вести свойственные ему химические реакции, но формально процесс будет протекать в органическом растворителе, который служит резервуаром вещества, подвергаемого ферментативному превращению, и местом сбора продуктов реакции. В сущности, энзимологи придумали и впервые практически осуществили идею нанореактора , ключевую для современных нанотехнологий.
Еще одна амбициозная цель: создание новых ферментов, природных катализаторов, которых нет в природе. Сделать это стало возможным в результате глубокого проникновения в устройство ферментов и в механизм их формирования. Зная это, можно растянуть или сжать глобулу фермента, изменяя таким образом размер “замочной скважины” и настраивая фермент на новый субстрат. Можно дополнительно сшить полипептидную цепь фермента и застабилизировать его третичную структуру, препятствуя денатурации. Можно ввести в фермент новые аминокислотные фрагменты, повышающие, например, его термостабильность или способствующие фиксации на твердом носителе. Можно, наконец, внести изменения в состав активного центра фермента и тем самым создать катализатор принципиально новой реакции. Возможности такого тонкого конструирования на наноуровне практически безграничны, и это то, что с полным правом может называться нанотехнологиями.
Эти работы пока мало известны широкой общественности, но мне кажется, в ближайшие годы нас ждет вторая волна бума ферментативного катализа. Дело в том, что мы постепенно и неотвратимо возвращаемся к природе. Взлет цен на углеводородное сырье и экологические соображения заставляют уделять все большее внимание возобновляемым источникам сырья. А это в свою очередь повлечет за собой изменение всей идеологии химической промышленности. Так называемое биотопливо можно залить в бак автомобиля, и он после этого поедет. В химической промышленности это не проходит. В реактор, рассчитанный на углеводородное сырье, нельзя засыпать глюкозу, получаемую при гидролизе целлюлозы. То есть засыпать, конечно, можно, но ничего путного не получится. Необходимо разрабатывать новые технологии, причем принципиально новые, потому что все наше научное и технологическое мышление было заточено под углеводородное сырье, а что делать с кислородсодержащими природными соединениями, мы, честно говоря, понятия не имеем