А. С. Цыперович
Ферменты
основы химии и технологии
*** 1971 ***
От нас: 500 радиоспектаклей (и учебники)
на SD‑карте 64(128)GB — ГДЕ?..
Baшa помощь проекту:
занести копеечку — КУДА?..
|
HEKOTOPЫЕ БECCИCTEMHO И HEУBEPEHHO PACПOЗHAHHЫE ФPAГMEHTЫ КНИГИ
Раздел IV. БУДУЩЕЕ ФЕРМЕНТНОГО КАТАЛИЗА Прогнозирование (в самых разнообразных областях науки и техники), т. е. исследование перспектив развития актуальных технических и научных проблем, приобретает за последние годы все возрастающее значение. Получаемые данные, естественно, имеют относительный, подчас довольно неточный характер, однако в целом ценность их очень велика, так как составляемые прогнозы позволяют более правильно намечать области изысканий, вложений денежных средств, более обоснованно вести поисковые работы дальней перспективы. В области ферментов попыток прогнозирования пока еще почти нет. Рассматривая проблему всестороннего использования ферментативного катализа, можно отметить, что ключевым моментом в ней является развитое производство ферментных препаратов. По-видимому, главными задачами дальнейших работ этой проблемы являются те, которые связаны, в первую очередь, как с изучением самих катализаторов и осуществляемых ими реакций, так и вопросов микробиологического характера. 1. На первое место, очевидно, следует поставить углубленное изучение свойств ферментных белков с использованием современных химических и физико-химических методов. В настоящее время все более выясняются главные свойства молекул ферментов, их структура, механизм действия, биологические особенности и др. Эти сведения создают задел, необходимый для перспективного развития ферментной промышленности, медицинской ферментологии и других практических областей. 2. Исследование свойств и особенностей ферментов микроорганизмов. Они изучены (по сравнению с ферментами животных и высших растений) в наименьшей степени, тогда как именно здесь, несомненно, будет найдено большое количество новых ферментов, будут открыты новые свойства ферментативных катали заторов, принципы их совместного действия, регуляции и т. п. Особый интерес представляют работы по сравнительной биохимии ферментов — бактерий, грибов, их отдельных видов, различных штаммов, при различных способах выращивания; сопоставление с ферментами животного и растительного мира. При этом будут получены ценные сведения об обмене веществ и вообще о физиологии микроорганизмов, важные для их направленной селекции, способов выращивания и т. д. Все эти сведения также создают задел, необходимый для перспективного развития основных практических проблем. 3. Широкие перспективы открывает овладение механизмом и техникой стабилизации ферментных белков. Предохранение от инактивации (денатурации), стабилизацию макроструктуры на всех этапах производства следует рассматривать как один из главных принципов технологии всех биологически активных протеинов, не только ферментов. Используя стабилизацию, нужно учитывать следующие возможности: а) сохранение фермента при его выделении и очистке в процессах промышленного получения; б) предохранение фермента от инактивации в процессе его использования. При этом может быть уменьшено количество вносимого катализатора и, кроме того, сам процесс, осуществляемый им, протекает более правильно (точнее кинетически, без корректировки, внесения дополнительных порций фермента и т. п.); в) возможность длительного хранения готового стабилизированного препарата без потерь ферментативной активности, что также обусловливает ряд преимуществ, в том числе значительный экономический эффект. 4. Проведение ферментных реакций при повышенных температурах. Известно, что каждый фермент имеет свой характерный температурный оптимум, определяемый двумя противоположно идущими процессами, — обычным повышением скорости реакции от нагревания и денатурацией, ускоряющейся по той же причине. Температурный оптимум может быть повышен, если ферменты стабилизировать; тогда все катализируемые процессы возможно будет значительно ускорять. Даже небольшое увеличение устойчивости фермента к нагреванию может быть весьма важным, особенно если при этом удастся превысить температуры, обычно переносимые микробами. Изучая и используя повышение температуры, можно иметь в виду следующие возможности: а) естественную высокую устойчивость некоторых ферментов к денатурации. Таковы, например, папаин, проназа, рибонуклеаза и др.; б) выделение промышленных термоустойчивых ферментов из термофильных микроорганизмов. В этом отношении было бы ценно, если бы усовершенствование (эволюция) термофильных микроорганизмов основывалась на мутациях, возникших благодаря повышенной устойчивости ферментов к горячей среде; в) стабилизацию ферментных белков действием различных, преимущественно химических, факторов (углеводов, солей, ионов некоторых металлов и др.). 5. Применение наиболее очищенных, концентрированных, высокоактивных препаратов ферментов. Именно такие препараты позволяют с наибольшей точностью, избирательностью и быстротой осуществлять все нужные производственные процессы, наиболее правильно регулировать ход их, полнее вводить объективные (физико-химические и иные) методы производственного контроля, получать более совершенные виды продукции требуемого качества. Соответственным образом желательно направлять и исследовательские, и технологические работы. Если для решения практической задачи необходим комплексный препарат, то входящие в него ферменты должны быть наиболее точно охарактеризованы, а соотношение активностей должно быть оптимальным и постоянным. Переход к высококонцентрированным, индивидуальным ферментам потребует большой подготовительной работы, однако технические и экономические преимущества его несомненны. 6. Препараты растительных и особенно микробных ферментов, выпускаемые промышленностью, обычно представляют собой смеси или комплексы катализаторов, различных (или близких) по своим свойствам. Так как исследования по разделению и очистке ферментов сложны и трудоемки, отдельные представители до сих пор мало выделялись и не были подробно изучены. Сведения об их поведении и свойствах очень ограничены. Работы в данном направлении — одна из главных задач во всех областях практического применения ферментативного катализа. 7. Для наиболее правильного использования ферментов, разработки новых технологических процессов, проводимых с их помощью, необходимо выяснение условий их действия в различных типах природных или искусственных систем: при использовании конкретных видов сырья, при получении определенных, конкретных видов продукции, в.заданные сроки, под влиянием определенных типов ферментных препаратов и т. п. Необходимо изучение кинетики действия ферментов, в частности при различных количествах фермента, субстрата, разных температурах, pH среды, в присутствии примесей, активирующих, ингибирующих веществ. Этим путем также возможно обосновать создание новых типов ферментных препаратов, специально приспособленных для определенных технологических процессов и конкретных случаев применения. К числу важнейших задач микробиологического характера можно отнести следующие: 8. Направленная селекция микроорганизмов — продуцентов ферментов. Цель ее — получение у микробов ферментных систем в больших количествах, высокой активности, а также обладающих специальными свойствами — высокой или, наоборот, низкой стабильностью, нужным комплексом ферментов при заданном соотношении активностей и т. п. Важным при селекции является постоянство (устойчивость) полученных изменений, выяснение условий образования новых форм, изучение их физиологии — питания, дыхания, энергетики и т. п. 9. Освоение и промышленное использование наиболее эффективных способов выращивания микроорганизмов, в том числе глубинного метода и метода поточного (непрерывного) выращивания. В этой области имеется много возможностей для создания автоматизированных, в том числе самоуправляемых и саморегулирующихся систем, конструирования принципиально новых приборов и т. д. 10. Изучение процессов микробиологического синтеза. Речь идет не только о продуцировании ферментов, но и о микробиологическом синтезе разнообразных групп веществ (антибиотики, аминокислоты, витамины, стимуляторы роста, «кормовые» белки) — синтезе, проводимом в основном при помощи соответствующих ферментных систем микробов. Изучение этих процессов создает теоретические и технологические основы всех отраслей микробиологической промышленности. Все перечисленные здесь проблемы очень сложны. Для успешного развития их нужны большие теоретические исследования, которые, несомненно, за короткое время осветят дорогу практике. Важнейшим из теоретических вопросов является расшифровка , механизма действия ферментов, которую справедливо называют наиболее фундаментальной проблемой ферментологии. Определяющим моментом в ней является выяснение химической структуры белка-фермента и, в первую очередь, его активного центра. Для того чтобы расшифровать природу активного центра, возможны различные пути: а) исследование поведения всей молекулы белка-фермента, в частности, изменений каталитического эффекта при различных воздействиях на нее; б) исследование свойств отдельных фрагментов ферментной молекулы, ее «осколков», т. е. активных продуктов распада, образующихся при частичном гидролизе ферментативного белка; в) создание и изучение ферментных моделей, низкомолекулярных веществ, простых по своему строению и обладающих каталитическим действием, подобным ферментному. Важным путем является также изучение кинетики ферментных реакций. Выясняя влияние различных факторов на скорость данной реакции, мы всегда можем сделать определенные выводы о механизме действия фермента. Однако данные кинетических исследований всегда следует сопоставлять с данными, полученными при изучении химии и структуры ферментной частицы. А это возможно только тогда, когда фермент достаточно хорошо очищен. Тем не менее, для множества случаев, когда система еще сложна и содержит разнообразные примеси, кинетический анализ является единственным способом, позволяющим получить определенные представления о механизме ферментной реакции. Значительный материал о механизме ферментативного катализа дали исследования, в которых изучали угнетение каталитического эффекта. При исследовании на целую молекулу фермента влияли специфическими парализаторами и активаторами. Эти вещества, строго определенной химической стуктуры, могут реагировать с активным центром или даже с определенными компонентами центра, парализуя или усиливая действие фермента. Зная строение этих веществ и характер их влияния на ферментный процесс, можно получить представление о тех химических группах белка, которые входят в состав реактивного центра. В данной области исследований накоплено много интересных фактов, позволяющих судить о разных свойствах ферментов. Чрезвычайно интересной является возможность выделить и изучить фрагмент, т. е. часть молекулы фермента, сравнительно небольшую, но включающую активный центр, точнее — группировку, выполняющую каталитический акт. Большие трудности в этой работе возникают потому, что при расщеплении (гидролизе) молекулы фермента образуется не однородное вещество, а очень сложная смесь разнообразных пептидов. При этом активностью обладают не все, а лишь немногие. Их трудно выделить и не так просто расшифровать их структуру. Однако современная химия белка располагает исключительно тонкими (главным образом, хроматографическими) методами разделения пептидов. Эти методы очень чувствительны и при их помощи можно «отобрать» из гидролизата практически любые структуры. Имеются химические способы и для выявления всех деталей состава активных «осколков» белка. Поэтому можно ожидать, что этим путем будут получены важные сведения о природе активных центров ферментов. Чрезвычайно интересны возможности, открываемые разработкой и изучением ферментных моделей, искусственно создаваемых веществ-катализаторов, которые способны в той или иной степени ускорять химические процессы, подобно обычным ферментам. Они содержат структурные элементы, близкие к тем, которые имеются в соответствующем ферменте. Различными путями иссле- дователи стремятся воспроизвести в моделях характерные свойства ферментных катализаторов, их высокую активность, специфичность и др. В настояще время изучаются модели следующих групп ферментов: дегидрогеназ, оксидаз, некоторых гидролаз и, пожалуй, наиболее часто моделировавшегося фермента — каталазы. Все они (за исключением гидролаз) представляют собой комплексы (соединения) белка с определенной простетической группой; изучение их шло по пути моделирования ее. Ряд ферментов содержит в своем активном центре атом металла, например каталаза — железо (в геме), полифенолоксидаза — медь. Естественно, что многие исследования были направлены на изучение каталитических свойств различных соединений металлов. Были получены модели каталазы — комплексные соединения кобальта, свинца, марганца, но наиболее эффективной при разрушении перекиси водорода оказалась медь. Известно, что некоторые комплексные соединения ее с азотистыми веществами, сравнительно простые по своему составу, типа, скажем, комплекса с диамином обладают почти в миллион раз большей активностью, чем простой атом меди. Это показывает, какие огромные возможности могут возникнуть при изучении подобных веществ. Моделью некоторых (флавиновых) дегидрогеназ оказался краситель метиленовый голубой. По своему строению он близок к коферменгу дегидрогеназ — флавин-мононуклеотиду. Так же, как и флавиновый кофермент, краситель присоединяет водород, превращаясь в бесцветную лейкоформу, которая легко окисляется кислородом воздуха, отдавая ему водород. Донором водорода могут быть аскорбиновая кислота, H2S; краситель, введенный в раствор этих веществ, будет попеременно восстанавливаться и окисляться и, таким образом, подобно ферменту, ускорять окисление названных веществ кислородом воздуха. В этих экспериментах исследовалась модель только активной группы фермента. Однако оказалось возможным подобрать для нее и высокомолекулярный носитель. Им послужила целлюлоза, которая усилила каталитический эффект и повысила специфичность реакции, так как в этой системе особенно интенсивно протекало окисление кислородом воздуха сероводорода. Гораздо более сложной задачей является моделирование гидролитических ферментов. Как известно, большинство из них — простые белки, и их активная группа возникает из отдельных участков пептидной цепи, которая свернута в клубок таким образом, что составные части активного участка сближены и могут совместно (кооперативно) действовать на молекулы субстрата. Подобрать модель для такой системы не так просто, но оказалось, что отдельно взятые компоненты ее (известные, например, для ферментов сериново-имидазольного катализа) в определенной степени могут обусловить каталитический эффект. Так, имидазол, даже взятый в чистом виде, может ускорять реакции гидролиза. Интересно, что катализаторами гидролиза оказались и некоторые комплексные соединения меди. Кроме названных, известны удачные модели карбоксилазы, ускоряющей декарбоксилирование ке-токислот, эстеразы и некоторых других ферментов. При попытках создания ферментных моделей необходимо учитывать, что механизм действия ферментов очень сложен, недостаточно изучен, что ферменты обладают одновременно различными функциями; в структуре их имеются как участки, непосредственно осуществляющие каталитический акт, так и помогающие связыванию субстрата, скрепляющие макроструктуру ферментного белка и т. д.; имеются участки, специально предназначенные для передачи регулирующих воздействий. Можно назвать следующие свойства ферментов, которые стремятся воспроизвести химики: а) высокую активность; б) наличие активных центров, простетических групп, часто включающих металл; в) наличие высокомолекулярного носителя (белка), повышающего интенсивность действия и в значительной мере определяющего специфичность фермента или его модели. Вначале моделировали только активность и при этом появились новые катализаторы — металлы в коллоидном состоянии. Затем воспроизводили активные группы ферментов; при этом были найдены модели различных каталитически активных комплексов, сравнительно простых, включающих различные металлы или органические соединения. В некоторых случаях эти комплексы удавалось фиксировать на различных (в том числе белковых или углеводных) носителях и тогда возникали системы, еще более приближающиеся к истинным ферментам. Ценность моделирования отдельных свойств ферментов определяется, кроме теоретического интереса, еще и тем, что каждый этап такой работы был ценным для практика, он приводил к созданию катализаторов новых типов, новых технологических процессов, обычно очень широко используемых. Так, коллоидные металлы внедрены в практику для проведения процессов гидрирования, коллоидные гидроокиси металлов катализируют гидролиз сложных эфиров, комплексные соединения металлов привели к внедрению в промышленность катализаторов полимеризации олефинов, синтеза соединений ацетилена. Модели типа активное t вещество на высокомолекулярном носителе сейчас широко изучаются. Если молекулы катализатора не беспорядочно «разбросаны» в пространстве, а фиксированы на носителе-матрице, то при этом они будут размещены (соединены) в необходимом порядке и может быть достигнута как бы экономия активных групп; изменяя природу носителя, можно в широких пределах варьировать специфичность катализатора. Имеются еще два свойства ферментов, которые при их успешном моделировании могли бы открыть новые возможности для техники и, в частности, для химической технологии. Первое из них — способность связываться в системы, действуя при этом строго согласованно. В этих системах имеется, как мы знаем, механизм регулирования, причем специфические вещества могут интенсивно влиять на их активность; скорость процессов управляется за счет саморегулирования системы по типу обратной связи. Второе свойство, наглядно выявляемое в живой клетке, определяют словами «динамичность структуры» этих катализаторов. Здесь имеют в виду то, что они непрерывно распадаются и затем вновь возникают (клеточный биосинтез). Активность катализаторов, как это давно известно, часто повышается одновременно со снижением их устойчивости; однако в технике это могло бы быть выгодным — лучше иметь непрочный катализатор, но очень быстро и точно выполняющий свои функции. В клетке, благодаря тонкой системе регулирования, после распада сразу возникнут новые порции фермента (катализатора) взамен разрушившихся, и таким образом система в целом будет вполне устойчивой и притом работающей наиболее эффективно. Любой фактор, уничтожающий фермент, может быть нейтрализован за счет процесса быстрого образования новых молекул катализатора. Оба эти ценные свойства ферментов или, точнее, их систем пока еще моделировать не удается. Некоторым подобием поли-ферментной системы можно считать колонку, в которой субстрат проходит через слои различных ферментов, последовательно подвергаясь необходимым превращениям. Интересно было бы также провести моделирующий процесс таким образом, чтобы моделирующие молекулы могли находиться в динамическом состоянии, т. е. количество (и качество) могло не только падать, но и возрастать. Несомненно, что все эксперименты подобного рода откроют новые свойства катализаторов и укажут новые пути их использования. Можно предполагать, что вся сложная белковая частица не всегда необходима для осуществления многих практически важных простых реакций типа ферментативных. Успехи в изучении активных продуктов расщепления ферментов, ферментных моделей, строения белка и составляющих его фрагментов позволяют надеяться, что важнейшие свойства — избирательность действия исключительное разнообразие каталитических функций и высокая активность со временем перестанут быть особенностью только биокаталитических систем. Они будут характерными, обычными свойствами новых катализаторов, создаваемых химиками искусственно, по заранее намеченному плану. Выше мы видели, что из большого количества известных ферментов в технике используются лишь немногие: различные гидролизы и три-четыре фермента из группы окислительно-восстановительных. Важнейшая задача — найти применение в промышленности и другим группам их, в частности окислительновосстановительным системам разных типов, трансферазам, десмо-лазам, которые катализируют разрыв связи между атомами углерода в частицах органических веществ, а также ферментам которые осуществляют реакции конденсации органических молекул. Эти и другие группы дадут возможность эффективно проводить в промышленности многие типы химических превращений. Поэтому необходимо расширять поиски новых ферментов. Известно, что при помощи микробных ферментных систем могут быть проведены многие необычные процессы. Так, например, можно при комнатной температуре окислить серу непосредственно в серную кислоту, превратить углекислый газ и водород в уксусную кислоту или метан, восстановить сернокислый натрий до серы, окислить окись углерода и водород в углекислый газ и воду. Важно, что энергия, необходимая для проведения некоторых из этих превращений, черпается из источников, представляющих собой процессы, также регулируемые и ускоряемые ферментами. Следует сказать, что перечисленные химические реакции очень важны и могут быть использованы в огромных масштабах. Однако мы пока не можем осуществлять их в технике, так как не умеем управлять соответствующими ферментными системами. Особое внимание в этом смысле привлекают ферментные системы, при помощи которых осуществляются фотосинтез и связывание азота воздуха. Решение проблемы фиксирования атмосферного азота ферментативным путем резко изменит положение в химической промышленности, усовершенствует и удешевит производство удобрений, полупродуктов органической технологии, различных пластмасс, красителей фармацевтических препаратов. Фотосинтез, как известно, представляет собой одну из основных биологических и энергетических проблем близкого будущего. Он является главным источником образования органических веществ на нашей планете, используемых весьма многообразно, в частности для питания животных и человека. Осуществляется он при помощи системы ферментных катализаторов. Процессы фотосинтеза изучаются сейчас в очень многих странах, учеными многих специальностей. Предполагается возможным в будущем осуществить фотосинтетические реакции вне растения, вне клетки, используя соответствующую ферментную систему, выделенную из биологического объекта или полученную иным путем; речь идет, таким образом, о создании своеобразной фотосинтетической машины, на основе которой могло бы быть в перспективе создано эффективное промышленное производство органических веществ из углекислоты и воды. В результате расшифровки механизмов процесса можно будет изыскать возможности проведения эндотермических искусственных химических синтезов с использованием энергии солнечной радиации или же найти способы эффективного преобразования энергии солнечной радиации в промышленно ценную энергию, например электрическую или потенциальную химическую. Практически наиболее важной и современной задачей является разработка принципов повышения продуктивности растений, т. е. повышения их естественной фотосинтетической продукции; это связано с проблемой пищевых ресурсов, балансом органических веществ на нашей планете, новообразованием горючих ископаемых и др. Имеются также специальные вопросы, как например, использование фотосинтетической деятельности растений для регенерации воздуха и получения пищи с целью обеспечения человека в космическом пространстве; при биологической очистке сточных вод и т. п. Все эти задачи решаются за счет действия определенных ферментативных систем, т. е., по существу, являются ферментологическими. В качестве примера полиферментной системы, осуществляющей фотосинтетическую реакцию, можно привести систему, которая образует сахарозу из С02 и воды. Суммарное уравнение процесса выглядит следующим образом: 12С02+11Н20 = сахароза+1 Юг-Известны 22 этапа его, катализируемых не менее чем 16 ферментами (действие некоторых из них повторяется). Цепь реакций связана с присутствием АТФ и НАДФ-Н2, которые поставляются за счет фотохимических превращений, связанных с поглощением световой энергии. Здесь участвуют хлорофилл и ферредоксин — железопротеид с исключительно высоким редоксипотенциалом. Частица С02 присоединяется к центру молекулы риболезодифос,-фата; полученное соединение затем распадается (с внутримолекулярным переносом водорода) на две молекулы фосфоглицера-та, а это вещество в обратном порядке проходит весь тот путь, при котором оно образуется при обычном гликолизе. Затем в результате ряда превращений образуется фруктозодифосфат и, в конце концов, молекула фруктозо-6-фосфата. Последний превращается в сахарозу, переходя через глюкозо-6-фосфат, глю-козо-1-фосфат, производное УДФ и другие соединения. Все звенья суммарного процесса катализируются соответствующими ферментами. При фотосинтетическом образовании молекулы сахарозы из С02 и воды потребляется 37 молекул АТФ и 24 молекулы НАДФ-Н2, получаемых с поглощением энергии света. В проблеме фотосинтеза, кроме изучения основных собственно ферментных превращений, имеется ряд других сложных и интересных вопросов. Так, имеет особое значение структурная организация фотосинтетической системы, которая влияет на степень ее активности и качественную направленность. Важен вопрос о качестве и разнообразии образующихся при фотосинтезе веществ; здесь особый интерес представляет образование азотсодержащих продуктов, а также нуклеиновых веществ и липопро-теидов, как компонентов самого фотосинтетического аппарата. Важен также вопрос о связи и сопряженности фотосинтеза с иными биохимическими процессами и системами организмов. Имеется и много других задач, еще далеко не разрешенных, но изучаемых сейчас всем фронтом науки. Сравнивая возможности биологических систем и современной химической техники, можно отметить, что биологический синтез гораздо эффективнее и шире, нежели искусственный, химический. Существует множество примеров, подтверждающих это положение, но здесь мы упомянем только об одном. Чтобы обычными методами органического синтеза изготовить кортизон, необходимо произвести несколько десятков химических превращений, т. е. технологический процесс проходит через несколько десятков этапов или операций. Недавно установлено, что при помощи микроорганизмов это вещество может быть получено легко, без особых затруднений. Учитывая роль кортизона и подобных ему адренокортикостероидных гормонов в медицине, нетрудно представить себе значение подобных открытий. Если сравнить свойства природных и лучших технических образцов катализаторов, то можно без труда убедиться, что мы еще очень далеки от возможности изготовлять (и использовать) сложные органические катализаторы, подобные тем, которые так рационально применяет природа. В естественных условиях ферменты с легкостью обеспечивают проведение таких реакций, которые длительное время представляют огромные, пока непреодолимые, трудности при использовании их для технических целей. Достаточно вспомнить, например, историю поисков катализаторов для промышленного синтеза аммиака из азота воздуха и водорода. Катализаторы, удовлетворительно действующие, причем только при очень высоких давлениях и температурах, были найдены в результате многолетней работы химиков. В природе же связывание азота атмосферы происходит, как уже указывалось, при помощи ферментных систем микробов очень легко, при атмосферном давлении и обычной температуре. В настоящее время в промышленности биосинтезом получают в большом масштабе такие важные группы веществ, как органические растворители и полупродукты (например, 2-3-бутилен-гликоль), витамины В12 и В2, глицерин, декстран, органические кислоты (молочную, лимонную, глюконовую, фумаровую, итако-новую), антибиотики, стероиды (гормоны), некоторые аминокислоты (например, глютаминовую) и др. Применение биосинтеза все расширяется. В будущем, несомненно, он заменит множество, вероятно большинство, процессов синтеза в нынешней химической технологии, которая в значительной степени должна быть переведена на биохимические пути. Одновременно с этим следует учитывать и другую сторону вопроса. В последнее время, благодаря стремительному развитию органической химии, оказалось возможным разработать эффективные способы синтеза веществ, получавшихся ранее с помощью микробов. Оказалось, что химический синтез более простых веществ экономически и технологически выгоднее. Химическая промышленность смогла использовать для синтеза множество продуктов: такие удобные и доступные источники сырья, как каменный уголь, нефть, природный газ. В результате производство этилового спирта, ацетона, пропанола и других низкомолекулярных продуктов, вырабатывавшихся ранее путем брожений, с применением микроорганизмов, стало заметно сокращаться. Благодаря синтетическому получению технического этилового спирта, необходимого для производства синтетического каучука, оказалось возможным сохранить не только пищевое сырье (зерно, картофель), но даже мелассу — ценный продукт, который во все возрастающих количествах стал применяться в качестве корма для скота. Производство, например, спирта из пищевого сырья, согласно народнохозяйственным планам, в ближайшие годы должно резко сократиться. Вместе с тем за последние десятилетия стала ясной особенная ценность микроорганизмов для синтеза сложных физиологически активных веществ, таких как специфически активные белки-ферменты, как витамины, антибиотики, вещества, стимулирующие рост, и другие. Микроорганизмы эффективно вырабатывают как сложные природные полимеры (разнохарактерные протеины, ценные углеводы, например, декстран и др.), так и менее высоко- молекулярные вещества, но отличающиеся сложной структурой, например стероидные гормоны, витамин Bi2 и т. п. Во многих странах стала интенсивно развиваться специальная микробиологическая промышленность, выпускающая подобные соединения для нужд техники, сельского хозяйства и медицины. Таким образом, промышленное использование достижений микробиологии, так же как и направление научных исследований в области микробиологического биосинтеза, за последние десятилетия претерпели существенную эволюцию. Сейчас не процессы брожения, а условия и механизм биосинтеза физиологически активных веществ стали основной проблемой в данной области. Эти соображения, высказанные наиболее авторитетными специа-листами-микробиологами, весьма важны. Несомненно, что они правильно определяют путь развития «промышленности микробиологического синтеза» на много лет вперед. Во всех названных выше случаях в применяемых микроорганизмах, осуществляющих биосинтез, влияют определенные ферментные системы. Задача состоит в том, чтобы выделить соответствующие ферментные белки и научиться управлять ими, расшифровать природу их действия, осуществляя реакции, аналогичные протекающим в живом организме, по своему желанию, в любом звене или на любом технологическом этапе. Несомненно, что биологический (ферментативный) катализ имеет исключительное значение для будущего не только биологических областей, но также для будущего химии и химической технологии. Интерес химиков к изучению и использованию ферментов за последние годы все более возрастает. Акад. Н. Н. Семенов указывает, что едва ли не главная задача теоретических исследований в химии сейчас заключается в искусственном создании столь же специфических, но еще более мощных, чем ферменты, промышленных катализаторов. Несомненно, что если бы разнообразные возможности, представляемые микроорганизмами, нашли более полно свое воплощение в химической промышленности, то целые разделы технологии органических веществ уже сейчас могли быть коренным образом изменены и упрощены подобно тому, как это произошло в области производства гормонов-стероидов. Можно ожидать, что направленное использование специфических катализаторов позволит, например, с достаточной точностью синтезировать стереорегулярные полимеры, в которых количество повторяющихся одинаковых структур приближается к 100%. Важным следующим этапом было бы создание катализаторов, которые смогли бы обеспечить заданное взаимное расположение звеньев двух типов мономеров в сополимере. Следует вспомнить, что при биосинтезе белка, этого сложнейшего многокомпонентного полимера, клетка может обеспечить точные, запрограммированные чередования в длиннейших пептидных цепочках не двух, а восемнадцати — двадцати типов различных аминокислот. Отсюда ясно, как огромен тот путь, который нужно пройти, чтобы использовать в химической промышленности для получения сложных соединений с заранее заданными свойствами те принципы синтеза, которые используются в живой природе. И поэтому важнейшее значение имеет выяснение механизма и принципов ферментативного катализа. Пока же химия не располагает возможностями создания столь эффективных органических катализаторов, необходимо широко использовать практические возможности проведения промышленных процессов с применением препаратов природных ферментов и с применением различных микроорганизмов. Если представить себе работу живой клетки в целом, то можно сказать, что клетки организмов животных, растений и даже одноклеточные микроорганизмы представляют собой поразительные по своему совершенству химические заводы. В них вырабатываются, например, сложнейшие полимерные частицы с самыми разнообразными свойствами, различного состава, разной прочности, эластичности, различной термоустойчивости и окраски. В клетках очень постоянно, одновременно, или, если это нужно, то в необходимой последовательности, происходят тонкие синтезы таких сложных и разнохарактерных веществ, как нуклеиновые кислоты, белки и в том числе ферменты, сложные углеводы, жиры, витамины, гормоны и множество других сложных соединений. Эти «заводы» в клетках смонтированы очень компактно, все процессы в них точно и четко регулируются, режим оптимальный. В основе работы их лежит согласованное действие ферментных систем, осуществляющих цепи управляемых химических реакций. Естественно,, что в будущем подобные принципы работы должны быть использованы и химической, и биохимической промышленностью. За ближайшие 30 лет будут решены некоторые задачи, имеющие исключительное теоретическое и практическое значение. В частности, будут разработаны принципы направленного синтеза катализаторов типа ферментов, создаваемых по заранее намеченному плану, причем некоторые из полученных веществ, возможно, будут более эффективны, чем природные ферменты. Успехи в области химического синтеза сложных пептидов и в области изучения биосинтеза белка в клетках позволяют считать, что для получения ферментных катализаторов будут использованы оба пути — химический синтез и биосинтез, проводимый при помощи микроорганизмов. Второй из этих путей несравненно более эффективен, по химический синтез более прост (более освоен, более понятен при нынешнем уровне знаний), и, вероятно, будет налажен раньше. Можно представить себе следующие этапы (их последовательность) при разрешении важнейших теоретических задач ферментологии. Само собой разумеется, что указываемые сроки имеют сугубо ориентировочный характер. Итак, можно надеяться, что будет: а) изучена химическая структура важнейших (и наиболее доступных для этого) ферментных белков в 1970 — 1975 гг.; б) в основном расшифрован механизм действия первого, вероятно протеолитического, фермента в 1972 — 1977 гг. (можно полагать, что это будет один из ферментов «серинового катализа»); в) синтезирован первый фермент в 1972 — 1977 гг. Сейчас уже можно с уверенностью сказать, что это будет рибонуклеаза, естественно один из самых простых, подробно исследованных ферментных белков наименьшего молекулярного веса; г) налажен синтез и налажено использование низкомолекулярных аналогов ферментов в 1975 — 1985 гг.; д) расшифровано действие ряда важных полиферментных систем и построены лабораторные и промышленные «модели» их, может быть по типу колонок со слоями разных ферментов в 1980 — 1990 гг.; е) расшифрован (в основном) механизм регуляции действия ферментов в клетке в 1985 — 1995 гг.; ж) расшифрован механизм и осуществлен направленный биосинтез первых ферментов в клетках микроорганизмов в 1990 — 2000 гг. Можно полагать, что к концу 2000-го года будут расшифрованы ферментативные механизмы двух процессов, имеющих значение для развития всего человечества, — фотосинтеза и биологической фиксации азота. В связи с этим будут разработаны: принцип фотосинтезирующей машины, в которой получение органического вещества будет происходить по типу завода, без использования растений, при помощи полиферментных систем, и принципы машин, подобным же образом связывающих азот воздуха и вырабатывающих в частности, азотистые удобрения. Решению подобных вопросов будет способствовать быстро происходящее выяснение механизмов управления действием ферментов в клетке. Из изученных примерно 1000 ферментов в практике сейчас применяется не более 50 — 60, причем в основном гидролитических. Можно полагать, что число открытых и изученных ферментов увеличится до 8 — 10 тысяч, а число применяемых в практике возрастет в 5 — 7 раз при значительном расширении типов используемых реакций, в первую очередь в области окислительно-восстановительных ферментов и трансфераз. Использование концентрированных и наиболее высокоочищенных ферментных препаратов в медицине, аналитической химии, в некоторых отраслях промышленности, по-видимому, резко расширится уже к 1980 — 1985 гг. В развитии областей чисто практического характера могут быть отмечены следующие моменты. Отставание в строительстве ферментных заводов и организации использования ферментов будет, вероятно, полностью ликвидировано к 1975 — 1977 гг. Будет резко повышено качество продуктов питания, их усвояемость, перевариваемость, органолептические свойства. Громадные экономические эффекты будут получены за счет повышения выходов готовой продукции, более эффективного использования сырья, усовершенствования и упрощения технологии. Будут выпущены новые, высокоценные виды пищевых продуктов, в частности расширятся отрасли, вырабатывающие специальную пищу для детей, продукты лечебного питания, разнообразные виды полноценных консервов и пресервов. В области общественного питания большие экономические эффекты будут получены в результате ускорения процессов производства готовых блюд, увеличения выходов, снижения капитальных затрат, повышения сортности пищевого сырья, расширения производства полуфабрикатов, обработанных ферментами, и кулинарных изделий. В области сельского хозяйства, вероятно к 1975 — 1985 гг., повседневным станет ферментативное «облагораживание» кормов, которое, по-видимому, будет производиться на специальных заводах комбикормов; введение ферментных добавок в рацион всех видов молодых животных с целью ускорения их роста и повышения коэффициента использования кормовых средств; введение в животноводство заменителей молока; предпосевная обработка семян с целью повышения урожайности растений и ускорения нх вегетации. Можно ожидать значительного развития в области использования ферментов для медицины. Вероятно уже к 1980 — 1985 гг. будет создана промышленность, вырабатывающая специальный, весьма широкий ассортимент медицинских ферментативных препаратов, высокоочищенных, индивидуальных или комплексных, стерильных и т. п. В качестве перспективных областей медицинского применения можно назвать: а) заместительную терапию, когда введение фермента имеет целью восполнить образовавшийся дефицит в ферментативном хозяйстве организма; б) применение в качестве лекарственных средств коферментов, антифермеп-тов и ингибиторов ферментов; в) ускорение проникновения в организм лекарственных веществ (антибиотиков, обезболивающих и т. п.) под действием ферментов типа гиалуронидаз. При этом уменьшается количество вводимых агентов, увеличивается быстрота рассасывания, в частности кровоизлияний, экссудатов, с чем связано уменьшение болезненности. Внедрение ферментов в химию и химическую технологию будет происходить, по-видимому, в более поздние сроки. Дальние перспективы использования ферментативного катализа здесь особенно велики. Вероятно синтезы сложных органических веществ, полимеров и особенно физиологически активных соединений смогут быть резко упрощены и ускорены благодаря применению ферментных систем, подобно тому, как упрощается, например, синтез гормонов-стероидов при действии энзиматических систем живых микроорганизмов. Можно ожидать в химии широкого использования ферментов класса лигаз, катализирующих синтез С — О, С — S, С — N — связей и, что особенно важно, связей между атомами углерода. В заключение можно отметить, что новые, даже не вполне ясные сейчас, перспективы возникнут в теоретической и практической ферментологии после выяснения механизмов регуляции действия ферментов в живой клетке. Расшифровка природы ал-лостерического центра и ретроингибирования, механизмов репрессии, аллостерическое регулирование при помощи специфических низкомолекулярных веществ позволят управлять ходом ферментативных процессов в животных и растительных тканях, в клетках микроорганизмов, осуществляя это как in vivo, так и вне организма. Тем самым будут открыты новые возможности для использования ферментов в медицине, промышленности, сельском хозяйстве, в химии, химической промышленности и других областях. |
