Читаем без скачивания Интернет: Заметки научного сотрудника - Анатолий Клёсов

Несколько слов о том, как устроена целлюлоза. Это почти бесконечно длинные цепи глюкозы, упакованные в столь же длинные продольные связки. Поэтому целлюлозные – и хлопковые – волокна такие прочные. Помните притчу про отца, который показывал сыновьям, что отдельные прутики сломать легко, но прутики в связке сломать гораздо труднее? Так вот, когда связка состоит из тысяч прутиков, то сломать ее почти невозможно. Это – хлопок. Можно разорвать, но с большим трудом. Более того, целлюлозные волокна в связке упакованы так плотно, что образуют почти идеально упорядоченную, то есть кристаллическую, структуру. Хлопковое волокно на 94–96 процентов является кристаллическим образованием. Потому и такое прочное.

Как же целлюлолитические микроорганизмы разрушают целлюлозу? Этот вопрос можно задать по-другому: куда деваются деревья, когда они стареют и в итоге падают? Дерево в лесу упало, прошли годы, десятилетия – куда оно делось? Если бы никуда не делось, мы за тысячи и миллионы лет были бы завалены деревьями «до небес».

А вот куда. На упавшее дерево перебираются целлюлолитические организмы из почвы, где их много, а также заносятся ветром – с грязью, с пылью. Оказавшись на дереве, эти «специализированные» микробы выделяют особые ферменты, называемые целлюлазами. Целлюлоза – субстрат, целлюлаза – фермент, то есть белок, обладающий особой каталитической активностью. Этот фермент «настроен» на расщепление химической связи между соседними звеньями глюкозы в целлюлозе и высвобождение самой глюкозы. Глюкоза – сахар, весьма питательный, и микроб этот сахар усваивает. Собственно, микроб и выделяет ферменты-целлюлазы именно для того, чтобы получить сахар и его усвоить. Это – основной продукт питания микроба. Поедая глюкозу, микроб растет, делится, размножается, производит (синтезирует) еще больше целлюлаз, выбрасывает их наружу, на поверхность дерева, и так происходит до тех пор, пока вся целлюлоза из дерева не выедена, не растворена, не усвоена микробом.

Правда, помимо целлюлозы древесина содержит еще лигнин – это твердая смола, которая пропитывает мягкую целлюлозу (помните, хлопок мягкий) и заставляет деревья стоять относительно прямо, – а также другие вещества. Но они тоже разрушаются и усваиваются другими ферментными системами. Лигнин усваивается труднее всего. Собственно, его природа и «изобрела» для предохранения целлюлозы. Вот такое сопряженное действие многих ферментов приводит к переходу древесины – вместе с расплодившимися за ее счет микробами – в почву.

Так что когда вы, бродя по лесу, случайно ступите ногой в остаток дерева или пня, мокрый и скользкий, то знайте: там пиршествуют специализированные микроорганизмы, участвуя в круговороте растительных веществ в природе. То же произошло и с хлопковым армейским обмундированием в тропиках на островах, просто такая легкая пища тамошним микробам «под руку» попалась, грех не съесть, лигнина-то нет.

За прошедшие с тех пор годы из микроорганизмов исследователи выделили десятки разных целлюлаз. В чистом, высушенном виде каждая из них представляет тонкий белый порошок, порошок белка. Этот порошок легко растворяется в воде, и при добавлении в полученный раствор целлюлозы она распадается под действием целлюлаз до глюкозы, или до коротких цепочек сахаров. Микробов нет, усваивать глюкозу некому, поэтому сахара остаются в растворе, и их можно либо высушить и получить как отдельный продукт, либо сбродить, например, дрожжами или другими микроорганизмами в спирты, аминокислоты, антибиотики и прочие полезные продукты. Это – основа биотехнологии целюлозы, или, другими словами, промышленного использования целлюлаз для получения полезных продуктов из целюлозосо-держащих веществ. Например из отходов или побочных продуктов сельского или лесного хозяйства.

Это все давно было известно исследователям, когда в конце 1970-х годов, после возвращения из США, я заинтересовался целлюлазами. А заинтересовался потому, что уже лет тридцать, с первых детальных опытов армейских лабораторий США, оставалась нерешенной принципиальная загадка ферментов-целлюлаз. Впервые ее сформулировал в конце 40-х годов тот же Элвин Риз. Было найдено, что ферменты по-разному разрушают целлюлозу. «Легкоусвояемую», аморфную целлюлозу, из которой состоит фильтровальная бумага, легко разрушают все активные целлюлазы, переводя ее в глюкозу. А вот кристаллическую целлюлозу в хлопке разрушают буквально единицы. Хоть добавляй их к хлопку килограммами. В чем дело? Никто ответа не знал.

Исходя из этого, еще в конце 1940-х годов Риз подразделил все целлюлазы на «хорошие» и «плохие», или на «полноценные» и «неполноценные».

По отношению к аморфной целлюлозе (то есть не содержащей кристаллов целлюлозы) как «полноценные», так и «неполноценные» вели себя одинаково. Бросишь щепотку тех или других в стаканчик с водой, в которой плавают кусочки фильтровальной бумаги, – и бумага постепенно растворяется. Если в стаканчик с водой добавить щепотку хлопка и бросить туда же щепотку «полноценных» целлюлаз, хлопок тоже растворится, хотя и медленнее. А бросишь туда «неполноценных» целлюлаз, хоть щепотку, хоть полстакана, да хоть лопату, – хлопок так и останется нетронутым. Почему? Никто не знал.

В начале 1950-х годов Элвин Риз предположил, что «полноценные» целлюлазы содержат некий «фактор», которого нет в целлюлазах «неполноценных», собственно, отсюда и разные названия двух типов целлюлаз. Напомню, что «фактором» в биохимии называют то, природа чего неизвестна. «Фактор» есть, а слова нет. Так и приняли в мировой научной литературе по целлюлазам, потому что ничего другого, кроме «фактора», никто больше предложить не смог.

Мне эта идея про «фактор» сразу не понравилась. Сразу – это по прошествии почти тридцати лет после того, как эта идея была введена и принята. Сразу – это как только я о «факторе» узнал. В самом деле, при чем здесь «фактор»? Целлюлазы-то очищенные, ничего другого там просто быть не может. Что за мистика такая – «фактор»? Не зря же я столько времени занимался субстратной специфичностью ферментов, чтобы понимать, что тут не некий «физический фактор» должен присутствовать, а должна быть разная специфичность «хороших» и «плохих» целлюлаз. Только как ее нащупать?

И взялся я за это дело. Тандемом с моим ближайшим сотрудником Мишей Рабиновичем, который в итоге за эти разработки получил премию Ленинского комсомола, разделив ее с моими же учениками Аркадием Синицыным, Володей Черноглазовым и Сашей Морозовым. Премию им присудили за то, что на основании нашей с Рабиновичем разгадки про «фактор» они создали принципиально новый тип реактора для ферментативного гидролиза целлюлозы в глюкозу. А мне за это в совокупности с другими работами по ферментам присудили Госпремию СССР по науке и технике, а также золотую медаль ВДНХ – за реактор, теоретическое описание принципов его действия и практическую демонстрацию действия.

Загадку мы разгадали. Не зря нас физической химии учили и заложили основы «физико-химического мышления». Этот якобы «фактор» действительно оказался свойством целлюлаз, определяющим их специфичность, а именно способностью ферментов адсорбироваться на целлюлозе. Для гидролиза аморфной целлюлозы способность целлюлаз на ней адсорбироваться оказалась особенно не нужна: материал легкий, связи между глюкозными группами доступны, соударение фермента с целлюлозой обычно ведет к расщеплению очередной глюкозной связи. Другое дело с целлюлозой кристаллической.

Цепи там так плотно упакованы, что фермент при простом соударении между ними не пролезает. Вода и то не пролезает, а уж крупный белок и подавно. Целлюлаза должна прочно адсорбироваться на поверхности кристаллической целлюлозы и использовать энергию адсорбции для понижения энергетического барьера реакции ферментативного гидролиза. Это если по-научному.

А если по-простому – у «плохой» целлюлазы, которая плохо адсорбируется, «зубы соскальзывают», кристалл не «укусить». Только со-ударилась – тут же отскочила. Не успевает целлюлозу атаковать, на это ей время нужно. А у «хорошей» целлюлазы, которая прочно на поверхности кристалла зацепилась, есть возможность «укусить» посильнее. Она не отскакивает, а латерально дрейфует по поверхности кристаллической целлюлозы, атакуя ее опять и опять. И щеплет связь за связью, производя глюкозу. Реакция ускоряется в миллионы раз. Поэтому и реактор мы сделали на основании свойства целлюлаз адсорбироваться и гидролизовать целлюлозу в адсорбированном состоянии. До нас про адсорбцию целлюлаз речи вообще не было.

Кстати, про наши работы в этой области и про новый реактор была большая статья в «Правде» в ноябре 1983 года. Под довольно глупым названием «Сладкий лес». Но это уже на совести тех, кто статью писал и публиковал.

Поскольку тема биотехнологии целлюлозы была и остается важной, я много ездил с докладами об этом, благо к тому времени мой невыездной статус закончился. Рулить страной начал М.С. Горбачев, и ситуация с выездами стала потихоньку меняться. Лекции по целлюлазам и технологии превращения целлюлозы в сахара я читал на Кубе, и не только читал, но и изучал там целлюлазы океанских моллюсков, о чем расскажу отдельно, а также в Индии, во Вьетнаме (они тогда хотели получать сахара из эвкалиптов с помощью целлюлаз), во Франции, Италии, Финляндии, Швеции, Канаде, в Университете Беркли в США, Принстонском и Корнельском университетах, Университете Ватерлоо в Канаде, в Окриджском научном центре в Теннесси и во всех, наверное, соцстранах Восточной Европы. Помимо этого, отдел промышленного развития ООН заказал мне книгу на эту тему, которую они и опубликовали в 1984 году. За что неплохо заплатили, по тем временам для Союза деньги были вообще фантастические.