начало, структуры разнообразных белков и ферментов посыпались как из рога изобилия, счет быстро пошел на сотни и тысячи. Эти исследования не только подтвердили гипотезу Полинга о вторичной структуре белка, но выявили существование третичной структуры – следующего этапа самоорганизации молекулы белка, при которой он сворачивается в глобулу (чаще всего) диаметром в десятки
Разобрались, естественно, и с внутренним устройством ферментов. Центральное место в них занимает так называемый активный центр, состоящий из нескольких фрагментов аминокислот и часто включающий в себя ион металла. На этом центре и происходит превращение молекулы субстрата, вся же остальная часть белка выполняет функции инфраструктуры: формирует “замочную скважину”, поддерживает определенную кислотность среды внутри белка и, наконец, фиксирует молекулу субстрата в определенном положении, наиболее удобном для тонкой хирургической операции, выполняемой активным центром. В сущности, “старики” во главе с Вильштеттером были не так уж и неправы, белок выступает в качестве своеобразного носителя собственно энзима – активного центра.
После этих исследований начался бум ферментативного катализа, который пришелся на 1970-е – начало 1980-х годов.
Но прежде я предлагаю вам вернуться немного назад и послушать рассказ еще об одной работе, которая по праву считается одним из крупнейших достижений химии второй половины XX века, и о человеке, который сделал то, что многим казалось невозможным.Роберт Брюс Меррифилд родился в 1921 году в Форт-Уэрте, Техас. Его детство пришлось на годы Великой депрессии, семья, перебравшись в Калифорнию, переезжала с места на место, в поисках работы и лучшей доли. Сам Меррифилд как-то подсчитал, что он посещал в общей сложности около сорока разных школ. Тем не менее в нем пробудился интерес в науке и конкретно к химии. В 1938 году он поступил в Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, но годы учебы затянулись – степень Ph.D. по химии Меррифилд получил лишь в 1949 году. Зато затем события последовали с калейдоскопической быстротой: 18 июня защитился, 19-го – женился, 20-го – отправился на другой конец Америки, в Нью-Йорк, в Рокфеллеровский институт медицинских исследований, где и провел все годы своей научной карьеры.
Меррифилду выпало работать в области синтеза пептидов, тогда такой “наработкой” занималось множество исследователей, включая Сенгера. При всем том идеология синтеза практически не изменилась со времен Эмиля Фишера. Пептид последовательно удлиняли, приставляя к нему новую аминокислоту. Проблема заключалась в том, что пептиды и аминокислоты – вещества одной природы, молекулы аминокислоты с не меньшей охотой реагировали между собой, чем присоединялись к пептиду. Чтобы избежать этого нежелательного процесса, химики используют разные ухищрения, в результате присоединение одной кислоты превращается в многостадийный процесс. Но это маленькая проблема, большая же заключается в выделении целевых веществ из реакционного раствора, содержащего множество других компонентов. Упаривание раствора, осаждение, перекристаллизация – при всех этих операциях теряется много вещества. Обычное дело: синтетик стартует с килограмма исходного вещества, а по прошествии месяца работы и множества стадий получает на выходе несколько маленьких крупинок продукта.
В 1959 году Меррифилд дозрел до мысли: “Необходим быстрый, количественный, автоматизированный метод синтеза длинных пептидных цепей”. Он придумал нетривиальную вещь: привить первую аминокислоту к твердой поверхности (полимеру), затем нарастить пептидную цепь “по Фишеру”, а по окончании процесса “отрезать” полученный полипептид от поверхности. Изюминка заключалась в том, что все трудоемкие операции выделения промежуточных веществ заменялись простой промывкой гранул полимера, при этом, понятно, никаких потерь вещества не происходило.
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 [13] 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
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
