Этанол представляет собой очень интересное соединение. В нем растворяются многие вещества, совершенно нерастворимые в воде. Он почти не имеет запаха, бесцветен и хорошо горит, что делает его отличным топливом.
Кроме того, это мощный антисептик. Когда дрожжи выделяют этанол в окружающую их среду, он уничтожает другую местную микрофлору – бактерии и конкурирующие грибки. А еще дрожжи могут повторно использовать этот продукт своей жизнедеятельности как пищу, то есть источник энергии. Как если бы машина могла ездить на собственных выхлопных газах. Иными словами, в случае необходимости дрожжи могут выживать, питаясь собственными экскрементами.
Эти особенности этанола ставят перед нами важный вопрос: если этанол может быть и химическим оружием и источником энергии, то какая из этих его способностей наиболее важна? Иначе говоря, зачем дрожжи производят этанол?
Брожение – это не случайность и не побочный эффект. Это способ дрожжей превратить свою пищу в энергию. Это метаболизм – длинная последовательность химических реакций, отбрасывание одних атомов и присоединение других, захват и потеря электронов, и все это ради создания молекулы под названием АТФ – аденозинтрифосфат. В живых существах АТФ обеспечивает перенос энергии – это вещество, на котором работает все живое[192].
Мы, млекопитающие, потребляем кислород и глюкозу, а выделяем в основном углекислый газ и молочную кислоту. Это та же самая кислота, которую производили бактерии в браге монсеньора Биджо, и она же образуется при квашении овощей[193]. А вот дрожжи вместо молочной кислоты выделяют другое вещество – уксусный альдегид. Но на этом они не останавливаются: к молекулам этого вещества они добавляют атомы водорода, производя в итоге этанол и АТФ[194], а затем этанол растворяется[195] в окружающей дрожжи жидкости.
Ура! Вот мы и получили выпивку.
Имея под рукой особенное лабораторное оборудование, можно увидеть весь процесс собственными глазами. В лаборатории Carlsberg – научном подразделении пивной корпорации, где Эмиль Хансен в 1882 году выделил и очистил свои знаменитые дрожжи для лагера, – работает химик по имени Себастьян Мейер. Его длинные волосы собраны в хвост, разговаривает он негромко и мягко. Он управляет прибором ядерно-магнитного резонанса – установкой, которая позволяет заглянуть внутрь дрожжей в тот момент, когда они производят брожение. Это что-то типа аппарата магнитно-резонансной томографии, который используется в медицине для получения изображения мягких тканей пациента. Но установка Мейера способна перенести нас на новый уровень. В роли магнита выступает наполненный жидким азотом десятиметровый цилиндр, обмотанный пятьюдесятью километрами провода, который генерирует магнитное поле мощностью 18,7 Тесла – примерно в 300 000 раз более сильное, чем магнитное поле Земли. Этой мощности достаточно, чтобы заставить атомы колебаться определенным образом – так, чтобы установка была способна отличать молекулы друг от друга. Мейер включает в глюкозу радиоактивный изотоп углерода, который оборудование может распознать, – и скармливает ее дрожжам. «Большинство исследователей просто измеряют объем компонентов, – объясняет Мейер. – Биологическая система движется своим ходом, а затем они оценивают результаты. Но в сложной системе этим методом далеко не уйти. Если вам нужно усовершенствовать клетку – нужно видеть ее работу».
Мейер не может увидеть отдельные движущиеся атомы – это не похоже на то, как врач видит порванную связку. Мейер видит данные. Молекулы появляются и почти сразу же преобразовываются, проходя промежуточные стадии между глюкозой и этанолом. Двуокись углерода – углекислый газ – проявляется вполне явно. На концах цепи он видит глюкозу и этанол, но внутри дрожжей можно распознать шесть других отличающихся друг от друга молекул. Соль пировиноградной кислоты практически сразу исчезает. Ацетальдегид появляется и исчезает так быстро, что аппарат ЯМР не может его уловить[196].
Чтобы продвинуться в своей работе еще дальше, Мейер сравнил результаты, получаемые при брожении пивным штаммом S. cerevisiae, с результатами сбраживания другим организмом, используемым чаще для лабораторных исследований. Конечно же, лабораторный организм произвел немного соли пировиноградной кислоты – и практически ничего кроме нее. А пивной штамм продемонстрировал сильный выброс углекислого газа и оказался гораздо более успешен в производстве этанола. «Почему этот штамм лучше подходит для пивоварения? Что заставляет его действовать так быстро и эффективно?» – задается вопросом Мейер. Ответа никто не знает. Пока просто известно, что это работает.
Даже эти передовые исследования не отвечают на наш вопрос. Они показывают, как дрожжи производят алкоголь… но не почему.
Стивен Беннер считает, что ему известен ответ. Беннер – один из основателей направления синтетической биологии, рукотворной генетики, создания из подручных материалов новых генов и геномов. В 1970-е годы Беннер изучал ферменты. Как и все белки, ферменты состоят из субъединиц – аминокислот, последовательность и форма которых определяется генами. Ферменты представляют собой сложные структуры с множеством активных центров, в которых и происходят химические реакции, – ферменты среди прочего способны присоединять белки друг к другу или отсоединять их. Если вам не чуждо понимание прекрасного, то ферменты могут показаться вам шедевром эволюции.
Беннер и его коллеги поняли, что эти последовательности аминокислот можно использовать для своего рода молекулярной палеонтологии. Можно было сравнить современную последовательность аминокислот фермента с другими последовательностями, образованными сходными генами, а затем разобрать это семейное дерево, чтобы узнать, как выглядел белок – предок этого фермента. Лингвисты проделывают то же самое, когда изучают, например, слово «дом» в группе индоевропейских языков и строят предположения о том, каким было слово, обозначающее «дом», в праиндоевропейском языке. «Идея состояла в том, что если бы можно было воскресить древние белки, оживить их и изучать в лаборатории, то можно было бы понять, как они себя ведут», – говорит Беннер. Вместе с коллегами они назвали этот новый исследовательский метод палеогенетикой.
Дрожжи питаются сахаром, но 150 миллионов лет назад еще не было травы, а сахарный тростник – это трава. Не существовало тогда и цветущих плодоносящих растений. И при этом дрожжам как-то удавалось выживать[197].
Но примерно через 50 миллионов лет – во время мелового периода – сосновые деревья передали эстафету первенства растениям, приносящим фрукты и ягоды. Тогда дрожжи приспособились к жизни внутри фруктов. Бурное распространение так называемых покрытосеменных – или цветковых – растений привело к доминированию видов, которые смогли воспользоваться их преимуществами, и вытеснению тех, кто не смог приспособиться к этим изменениям. Некоторые из динозавров, научившиеся питаться фруктами, орехами и ягодами, сумели выжить и трансформироваться – сегодня мы называем их птицами. Удалось это сделать и далеким предкам современных млекопитающих, благодаря чему в результате появились и мы, люди[198].
«Это официальная версия» – добавляет Беннер. Он имеет в виду, что эта теория хорошо соотносится с имеющимися данными, но можно придумать и другие теории, которые будут ничуть не хуже. Эволюционная биология весьма ими богата.
Беннеру хотелось заглянуть в глубь прошлого – в тот момент истории Земли, когда дрожжи создали то, что мы называем брожением. И его машина времени была сделана из ферментов. Дрожжи превращают уксусный альдегид в этанол при помощи фермента, который называется алкогольдегидрогеназа-1. При помощи фермента алкогольдегидрогеназа-2 они совершают обратное преобразование, превращая этанол в уксусный альдегид[199]. В эксперименте Беннера два эти фермента отличались друг от друга всего двадцатью четырьмя из 348 аминокислот, но другие сорта дрожжей производят свои (слегка отличающиеся от них) варианты таких ферментов. Беннер с коллегами провели секвенирование и сравнение многих из них. Затем на основе своих знаний о том, как последовательности аминокислот могут меняться со временем, они сформулировали гипотезу о том, каким был предковый фермент – исследователи назвали его АДГА.
Из-за слишком большого количества переменных последовательность аминокислот этого предкового фермента нельзя было определить очень точно. Группа Беннера получила двенадцать возможных вариантов АДГА. Они экспериментировали со всеми этими версиями, добавляя в среду то этанол, то уксусный альдегид, – чтобы посмотреть, как дрожжи могут менять концентрацию этих веществ.
Оказалось, что АДГА гораздо лучше справлялся с превращением уксусного альдегида в этанол, чем этанола в уксусный альдегид.
