На пути к искусственному созданию жизни

На пути к искусственному созданию жизни

В искусстве мало ценятся художники, весь талант которых заключается в умении подра­жать чужим, хотя и действительно прекрасным образцам. Искусство создавать что-то совер­шенно новое несравненно ценнее и почетнее, чем искусство копировать и подражать.

...Мы давно перестали видеть что-то особен­но замечательное в том, что многие продукты лаборатории тождественны с теми или другими произведениями природы. Скорее мы склонны увлечься идеей создания веществ, которых в при­роде нет и не может быть.

Но в одной области искусство человека от­стало от искусства природы. Здесь мы еще ос­таемся подражателями и учениками. Химик может искусственно создавать важнейшие раз­новидности жиров и углеводов. Он проник в строение белковых веществ, из которых состоит мозг, мускулы, кожные покровы — весь орга­низм людей, животных и других живых су­ществ, вплоть до микробов и вирусов. Простей­шие, подобные белкам вещества давно воспро­изведены в лаборатории.

Практическое значение открытий в этой об­ласти науки, казалось бы, должно быть особен­но ценным для пищевой промышленности. Уме­ние создавать основные пищевые вещества, ис­ходя, если нужно, из элементов, могло бы пере­вернуть все дело питания. Но природа постав­ляет нам белки, жиры и углеводы за несрав­ненно более дешевую цену. Живые организмы — сложнейшие «фабрики», которые возникли и усовершенствовались не в один или два года, а создавались миллионы лет.

Белки входят в состав нашего организма в виде массивных молекул с громадными моле­кулярными весами, примерно от десяти тысяч и до нескольких миллионов единиц. В нашем теле содержатся тысячи различных белков, каждый из которых имеет свое особое строение и выполняет свою особую роль в жизнедеятель­ности организма.

При кипячении со щелочами и кислотами громадные молекулы белков расщепляются на мелкие молекулы аминокислот — так плохо скованные цепи распадаются на отдельные звенья. Аминокислоты и являются теми звенья­ми, из которых слагаются молекулы всех бел­ков. На рисунке 4 представлена структура мо­лекулы простейшей из аминокислот, так назы­ваемого глицина. В рамки заключена та груп­пировка атомов, которая сохраняется во всех белковых аминокислотах. Остальные из числа важнейших природных амино­кислот, на которые расщепля­ются природные белки, отли­чаются от этой лишь тем, что один водородный атом заме­щен той или другой неслож­ной группой атомов.

Это замещение имеет за­мечательное последствие: от­меченный звездочкой атом углерода становится асимметрическим, т. е. появляется возможность существования моле­кулы в двух вариантах — «левом» и «правом». Но особенно поразительно другое. Каков бы ни был источник природной аминокислоты — любой растительный или животный вид, любой вид бактерий, молекулы всех природных ами­нокислот оказываются «левыми»; «правые» ами­нокислоты в живой природе обнаружены лишь в антибиотиках.

Не обязательно также, чтобы в аминокис­лотной диете содержались все природные амино­кислоты. Мы нуждаемся лишь в 9 из них, ос­тальные наш организм может готовить сам. Низ­шие же организмы способны вырабатывать для себя все необходимые аминокислоты из неорга­нических веществ.

Белковая пища полноценна, когда в ней со­держатся все 9 необходимых аминокислот. Таков творог. Если в белковой пище не­достает тех или иных аминокислот, она непол­ноценна. Например, в желатине (белке), обра­зующемся при вываривании костей, недостает трех из числа необходимых человеку ами­нокислот.

Сцепление молекул аминокислот в цепочкообразные молекулы белка осуществляется в тка­нях нашего организма путем отщепления воды:

В одних случаях молекулы образующегося белка напоминают нить, свернутую в клубок (такие молекулы образует, например, белок куриного яйца). В других случаях они сохра­няют вытянутую форму (такая молекула напо­минает длинную пружинку — рис. 5). Из мо­лекул-пружинок, скрученных друг с другом, как проволочки в кабеле или тросе (рис. 6), слагаются волосы, ногти, мускулы и другие волокнистые ткани на­шего организма. Эти мо­лекулы действительно обладают свойством пру­жины: они могут растя­гиваться до длины, вдвое превышающей их нор­мальную, и сжимаются вновь, как только рас­тягивающая сила пере­стает действовать.

Химик вводит рас­щепленный белок в при­бор-автомат и спустя сутки без своего даль­нейшего участия полу­чает готовый результат анализа — график, за­печатленный на ленте. Он узнает, какие имен­но аминокислоты и в каком количественном соотношении входили в состав данного белка. Но далее встает слож­ная задача — превратить данные анализа в струк­турную формулу.

До конца удалось решить ее (с помощью физики и математики—рентгеновского анализа и электронно-счетных машин) для нескольких бел­ков, в том числе для одного из животных бел­ков-гормонов — инсулина. Молекула этого бел­ка состоит из 51 звена, представленного 15 ами­нокислотами. Его структурная формула едва уместилась бы на странице этого тома. И вот что замечательно: последовательность сцепле­ния аминокислотных звеньев строго одна и та же в инсулине, извлеченном из столь различ­ных животных, как свинья и кит.

Строение молекул инсулина всех свиней и всех китов повторяется и в инсулине лошади, только в нем в одном из звеньев аминокислота серии заменена глицином; у быка замещены дру­гими аминокислотами два аминокислотных зве­на, у овцы — три... Это единство плана построе­ния молекулы белка, выполняющего одно и то же назначение в организме разных живот­ных, тем более поразительно, что из 15 амино­кислот теоретически можно образовать милли­арды миллиардов (больше, чем, например, волос на головах всех жителей Земли) 51-звенных цепей различного строения, беря одинаковые или различные звенья и смыкая их друг с другом в разном порядке. На рисунке 7 представ­лена последовательность сцепления аминокис­лот в молекуле еще более сложного белка — рибонуклеазы; аминокислоты обозначены здесь начальными буквами их названий: сер — серин, вал — валин и т. д.

Проблема искусственного белка продол­жает штурмоваться в разных направлениях. Но и сейчас химия далека от решения задачи получения белков заводским путем. Таким об­разом, нельзя особенно надеяться на коренное преобразование в ближайшем будущем совре­менных способов питания. Успехи в искус­ственном воспроизведении природных белков в какой-то мере приближают нас к решению ве­личайшей теоретической и практической зада­чи — искусственному созданию жизни.

При искусственном воспроизведении белков не обошлось без разочарований. Многие рас­считывали, что создать белок — это и значит создать жизнь. Однако выделено большое коли­чество белков, все они прекрасно сохраняются в пробирках, многие — в виде превосходных кристаллов, но признаков жизни вне живого организма в них так же мало, как в сахаре или крахмале. Это нисколько не поколебало уве­ренность, что уяснить и осуществить переход от «неживого» к «живому» — цель, доступная имен­но химическому исследованию.

Химик обращается к биологу с вопросом: какими свойствами нужно наделить молекулу, чтобы она стала «жить»? Тогда уже дело химика думать, какие сочетания атомов для появления этих свойств сле­дует создать.

Многие полагают, что жизнь имеет нехимическое начало, что она началась не с молекулы, а с какого-то уже достаточно сложного сочетания молекул, так как всякий живой организм обладает не только определен­ным химическим составом, но и определенной организацией. Подробное обсуждение этих мнений будет иметь смысл лишь тогда, когда мы точно опреде­лим, что именно разумеем под словом «жить».

Для того чтобы решить, что рассматриваемый объект именно живое существо, мы должны ус­тановить у него одновременное наличие ряда свойств. Вопрос и заключается в том, можно ли все эти свойства сочетать в од­ной молекуле. Создавая краски, химик именно так и сочетает в одной молекуле свойство быть окрашенной, свойство сцеплять­ся с волокном и т. д.

Ставя таким образом задачу искусственного создания жизни, мы не рассчитываем, как алхи­мики, что из химической колбы выскочит гото­вый гомункулус — маленький живой человечек. Ведь живые существа, помимо всего прочего, имеют за собой миллионы лет истории, управля­емой законами естественного отбора, и мы вряд ли сможем перепрыгнуть через эту великую пропасть времени. Мы можем рассчитывать лишь создать нечто такое, что, будучи предоставлено самому себе, при благоприятных условиях пре­вратилось бы спустя миллионы лет в растения, животные или нечто подобное тем и другим.

Будет ли это искусственно созданное «нечто» веществом или каким-то сверхпростым организ­мом? В течение многих лет пристальное внимание ученых приковано к миру живых существ, не­доступных даже сильнейшим микроскопам. Та­ков бактериофаг — «пожиратель бакте­рий». Действие бактериофага впервые описал русский ученый Н. Ф. Гамалея еще в 1898 г. Это такой же паразит по отношению к бактери­ям, как бактерия по отношению к человеку. Бак­териофаги присутствуют всюду, где присутст­вуют бактерии: в животных организмах, в воде рек, озер, морей и т. д. Они выделены и из про­дуктов, не зараженных бактериями: из чеснока, лука, яблок, моркови. Бактериофаги удалось наблюдать лишь с помощью ультрамикроскопа и электронного микроскопа. Это инструменты такой мощной разрешающей силы, что им уже доступны наиболее крупные молекулы. Итак, бактериофаги имеют размеры массивных моле­кул! Это материя, раздробленная на молекулы. Но эта материя живет, т. е. питается и размно­жается, сохраняя свои прирожденные свойства. Вокруг бактериофагов разгорелся страстный спор. По мнению одних, бактериофаг — это вещество, по мнению других — живое существо. Не есть ли он и то и другое одновременно, думали третьи.

Бактериофагам во всем, кроме условий суще­ствования, подобны вирусы — ультрамикроско­пические возбудители заразных болезней, таких, как грипп, полиомиелит, бешенство. Первый вирус — возбудитель чумы у рогатого ско­та — был открыт тем же русским ученым Га­малея за два года до открытия им первого бак­териофага. Частицы одних вирусов выглядят в электронном микроскопе, как шарики, дру­гих — как тонкие и длинные палочки. По отно­шению к людям, животным и растениям виру­сы ведут себя, как микробы. Живые организмы в свою очередь относятся к ним, как к микробам: в борьбе с вирусами они вырабатывают в себе «антитела», гибельные для данного вида вируса, и в таких случаях, перенеся болезнь, приобре­тают иммунитет к нему, т. е. повторно этому заболеванию не подвергаются.

Естественно, что врачи обращаются с виру­сами так же, как с микробами. А химики обра­щаются с теми же вирусами, как с самыми обык­новенными веществами: они растворяют их, адсорбируют, осаждают и кристаллизуют.