science Николай Всеволодов Эра биотехники ru rusec lib_at_rus.ec LibRusEc kit 2007-06-12 Tue Jun 12 03:11:09 2007 1.0

Всеволодов Николай

Эра биотехники

НЕВЕДОМОЕ: БОРЬБА И ПОИСК

НИКОЛАЙ ВСЕВОЛОДОВ,

кандидат физико-математических наук

Эра биотехники

Конец восемнадцатого века. Каменное подземелье. Камера смертника.

Тусклый свет свечи. Свеча гаснет. Тишина и мрак. Завтра смерть.

Утро. Лобное место. Толпы народа. Все освещено ярким солнечным светом. Но все это преступник видит лишь краткие секунды, как только его вывели из подземелья, помощник палача завязал ему глаза черной лентой.

Что он успел увидеть, что запечатлелось в его глазах в последние секунды между мраком подвала и темнотой черной ленты?

Рядом с Лобным местом стоял человек в одежде ученого. Это был немецкий биолог Кюне. Как только голова преступника упала на помост, помощник палача поднял ее, показал народу (так велел закон) и... передал ученому. Тот завернул голову в темную тряпку и быстро, почти бегом, исчез в ближайшем здании.

Темная комната-лаборатория. Красный свет фонаря. Слабое поблескивание скальпеля. Кюне оперирует глаз, извлекает сетчатку и опускает ее в ванночку с раствором квасцов. Через несколько минут он вынимает ее из раствора и переносит на предметный столик микроскопа. Если его теория верна, то на сетчатке должно отпечататься то, что преступник увидел, выйдя из темного подвала. И действительно под микроскопом на сетчатке был виден четкий зигзагообразный узор, словно маленький ребенок нарисовал ступени лестницы. Но сколько ни искал Кюне реальный образ ступенек в том месте, которое мог видеть преступник, так и не нашел.

Возможно в подробностях происходившего более ста лет назад автор ошибается, но сам факт такого эксперимента Кюне действительно имел место. Пожалуй, это была первая серьезная попытка доказать, что сетчатка нашего глаза подобна фотопленке и может хранить изображение, если после экспозиции прервать в ней всякие биологические процессы (например, задубив ее квасцами или быстро высушив). Скорее всего эксперимент с человеком такого рода был единственным, и многочисленные рассказы о том, как известный сыщик находит преступника по его изображению, отпечатавшемуся на сетчатке глаза жертвы, реальной почвы под собою не имеют. А вот на животных это было показано не раз, но об этом позже.

Каждый школьник (настоящий или бывший) знает в общих чертах, как устроен глаз. Схема его устройства полностью скопирована в старинных и современных фотоаппаратах. Свет от рассматриваемого изображения проходит через линзу-хрусталик, которая самофокусируется на предмет, затем через ирисовую диафрагму (радужку), которая изменяет свое отверстие в зависимости от яркости изображения, и попадает на сетчатку - "фотопленку". Фокусировка и настройка на яркость в глазу происходит за счет сложной системы мышц, управляемых через нервную систему мозгом.

В современных автоматических фотоаппаратах настройкой линзы-объектива на резкость и величиной диафрагмы управляют электродвигатели электротоком по проводникам от электронных микросхем. Похоже на живую систему? Не совсем, но идея та же.

Однако сетчатка глаза существенно отличается от фотопленки фотоаппарата, и не столько составом, сколько способом реакции на экспозицию.

В фотопленке после экспозиции появляется так называемое скрытое изображение. Явным, видимым оно становится только после проявления в специальных растворах-проявителях, а для длительного сохранения проявленного изображения его нужно еще и закрепить в другом растворе.

На сетчатке изображение "проявляется" сразу в процессе экспозиции, то есть как только человек сфокусировал глаз на каком-нибудь предмете...

и через одну шестнадцатую долю секунды исчезает. Сетчатка как бы фотопленка, которую шестнадцать раз в секунду экспонируют, проявляют, смывают, наносят новый фотослой, на него экспонируют новое, слегка сдвинутое изображение, проявляют и т. д. Это позволяет глазу "обшаривать" неподвижное или следить за подвижным предметом, посылая в мозг серию изображений непрерывно изменяющегося вокруг нас мира. Такая способность любого фоточувствительного материала - проявление изображения в процессе экспозиции и его самопроизвольное исчезновение через какое-то время- называется фотохромией. Пленки или стекла, обладающие такими свойствами, называются фотохромными, и многие "очкарики" о них знают давно - очки с фотохромными стеклами появились лет десять-пятнадцать назад. Их стекла темнеют на ярком свету, а в комнате или в тени просветляются. Если на такое стекло в тени наложить какой-нибудь трафарет, лезвие бритвы, например, и на несколько секунд осветить ярким светом, то лезвие отпечатается на короткое время в виде негативного изображения. О фотохромах мы поговорим подробно попозже, а сейчас вернемся к сетчатке глаза.

Когда из нее впервые выделили вещество, отвечающее за поглощение света и преобразование его в нервные импульсы, из которых в мозгу создается видеообраз, оно оказалось ярко-красного цвета. Поэтому его долго называли зрительным пурпуром. Пробирка со зрительным пурпуром на свету довольно быстро из ярко-красной становилась бледно-желтой.

Зрительный пурпур обесцвечивался необратимо и в темноте не восстанавливался. Теперь известно, что это вещество состоит из молекул белка, который называют родопсином. Точнее, это ретиналь-белковый комплекс, так как к молекуле белка прикреплен ретиналь (известный нам витамин А) г и именно этот комплекс имеет способность поглощать видимый свет и преобразовывать его. Отдельно белок и отдельно ретиналь таким свойством не обладают.

Но почему в глазу животных родопсин восстанавливается после экспозиции светом, а в пробирке нет? Почему в сетчатке живого глаза он ведет себя как фотохром, а в пробирке как фотоматериал, похожий на обычный фотографический? В "живом" глазу родопсин восстанавливается за счет специального фермента, вырабатываемого организмом, а в пробирке его нет. И в мертвом организме он перестает вырабатываться. Вот на что рассчитывал Кюне: в отруб... э... в отделенной от туловища голове фермент должен перестать вырабатываться, и изображение на сетчатке по должно стираться за счет появления новых молекул родопсина.

Другой ученый доказал, что это действительно так. Он сажал кролика перед ярким окном с несколькими оконными рамами, фиксировал его голову на некоторое время так, чтобы кролик смотрел только на окно.

Затем убивал животное, отделял голову (ученые придумали для этого процесса красивое слово "декапитировать"; "капитис" - голова, а приставка "де" всегда означала удаление) и извлекал глаза. Далее все как у Кюне.

Изображение переплета было видно ясно, но не четко - процесс восстановления, хоть и небольшой, идет какое-то время после смерти и размывает изображение.

Если в темноте нанести родопсин в виде тонкого слоя на стеклянную пластинку, то можно получить фотопластинку одноразового действия.

Изображение на ней проявится сразу в процессе экспозиции, а зафиксировать его можно быстро, высушив слой, то есть удалив воду. Без воды биологические процессы, как правило, не идут. Конечно, такая фотопластинка непрактична, качество изображения неважное, а главное - где брать глаза для серийного выпуска? Родопсин, как и любой белок, нестоек, и пленка хранится недолго. Но вот что интересно: если сухую пленку увлажнить, то изображение на ней исчезнет, и можно ее еще раз экспонировать. Как фотохромную! Короче, все не так просто в необыкновенных фоторегистрирующих материалах, особенно биологического происхождения. Но... Новые материалы нужны! Нужны взамен традиционных фотоматериалов на основе солей серебра. Потребление серебра на земле растет быстрее, чем добыча. Приходится выделять серебро из отработанных фиксажных растворов и применять экономные технологии.

С появлением лазеров и с ними новых направлений в науке, таких, как оптоэлектроника, интегральная оптика, голография и т. д., появилась необходимость в совершенно новых фотоматериалах.

Основой фоточувствительного состава по-прежнему являются соли серебра. И способ проявления остается "мокрым", то есть растворы проявителя и закрепителя необходимы для получения качественного изображения. Даже знаменитый "Поляроид", фотоаппарат, из которого готовая цветная фотография появляется фазу после экспозиции, использует такой же химический процесс проявления-закрепления.

Сейчас почти сорок процентов всех выпускаемых фотоматериалов используется для копирования книг, журналов, чертежей, документов, схем и т. д. Как правило, изображение их уменьшается во много раз, а воспроизводятся для чтения на специальных увеличивающих аппаратах. Для этого используются высокоразрешающие фотопленки или специальные микрофиши - гибкие фотопластинки. Фотоматериала для целей копирования требуется очень много. Чем заменить "серебряный" фотоматериал?

Чем лучше фотоматериал, тем больше информации можно записать на одну микрофишу. Например архивный материал, копии редких книг, справочники и т. д.

Исследование и разработка фотохромных материалов ведется уже третье десятилетие, но идеального материала, который удовлетворил бы всех, пока не найдено. Фотохромный материал можно использовать и как оперативную память, и как элемент обработки оптической информации, и как материал для экранов больших "дисплеев, величиной с киноэкран, и для многих современных систем оптоэлектроники и оптических компьютеров будущего.

Еще во времена Александра Македонского были известны вещества, которые изменяли свой цвет в зависимости от яркости дня, и это помогало определять военачальникам начало военных действий. Таким веществом пропитывали платки или нарукавные повязки, и смена цвета являлась сигналом к началу атаки. Это был и первый простейший люксметр - измеритель яркости.

Красителями служили вещества органического происхождения, краситель выделялся из растений или животных. Окружающий нас мир ярок, но далеко не все краски фотохромны. Большинство из них на свету медленно разлагаются или, как говорят, выгорают. Большинство фотохромов после восстановления недосчитываются тысяч молекул, которые по разным причинам теряют фотохромные свойства. Фотохром считается неплохим, если выдерживает несколько десятков тысяч циклов записьстирание.

Что привлекает ученых в фотохромных материалах? Прежде всего их оптическая память. Она намного компактнее, чем магнитная, которая сегодня широко используется в ЭВМ и бытовой радиотехнике.

На сегодня разработано огромное количество типов фотохромов. Материал для их изготовления, как правило, синтезируют искусственным путем из органических, неорганических соединений, это могут быть стекла, кристаллы, сложные и простые красители, полимеры и полупроводники.

Есть фотохромы, у которых время памяти исчисляется годами, у других долями секунды, большинство фотохромов "чувствует" ультрафиолетовое излучение...

А вот о биологических фотоформах заговорили совсем недавно, хотя зависимость биореакций от света известна давно. Даже загар кожи - не что иное, как светозависимая биологическая реакция.

Бактерия изменяет направление своего движения в зависимости от интенсивности и спектрального состава света; в организме имеются белки или их комплексы, отвечающие за преобразование кванта света в такой вид энергии, который может усваиваться или запасаться организмом в процессе его роста и развития. Некоторые из этих белковых образований способны к фотохромии, впрочем, иногда это более простые молекулы, чем белки.

В синезеленых водорослях есть вещество, фикохром, который под светом изменяет зеленый цвет на красный, а в темноте становится зеленым. В других водорослях вещество флавопротеин из синего цвета переходит в желтый под светом, а в темноте возвращается в исходный. Родопсин и хлорофилл в искусственных условиях ведут себя как фотохромы. Есть даже патенты на биологические фотоматериалы, но практического применения они еще не нашли: нетехнологичны!

В 1973 году в одном из научных журналов появилась статья американского и немецкого ученых о том, что в бактериях, живущих в соленых озерах, обнаружен белковый комплекс, похожий на родопсин глаза животных. Эти бактерии - галофильные. "Галос" - соль, "фило" - люблю (племя, род, вид). Вид бактерий, любящих соль, живет в сверхсоленых озерах - в Кара-Богаз-Голе, в Мертвом море, в Великих соленых озерах США. Кто пролетал над Краснове деком, мог видеть синие, желтые, красные, вишневые, фиолетовые пятна озер. Цвет им придают галофильные бактерии. Если озеро фиолетовое, то в нем наверняка обитают бактерии с бактериальным родопсином или. как принято его сейчас называть, бактериородопсином.

Зачем галофилам бактериородопсин? Родопсин глаза (зрительный родопсин) преобразует свет в нервный импульс, хлорофилл листа растений обеспечивает фотосинтез зеленой массы, в фотосинтезирующих бактериях бактериохлорофилл обеспечивает рост и развитие бактерий за счет энергии солнца. В галофилах, имеющих бактериородопсин, происходит преобразование энергии света в энергию для жизни этой бактерии, накапливается АТФ - известный аккумулятор, хранитель и переносчик энергии живой клетки животного и растительного мира планеты Земля.

Галофилы уникальные бактерии. Вероятно, они относятся к архибактериям, то есть к старейшим на планете, и возникли, быть может, десятки миллионов лет назад. Вероятно, тогда было мало кислорода и много солнечного света? Однозначного ответа нет.

Бактерии эти палочкообразной формы, длиной 5-10 микрон. Часть оболочки занимают фиолетовые пятна - участки оболочки, содержащие молекулы бактериородопсина. Под электронным микроскопом видно, что молекулы расположены строго периодично, напоминая плоский кристалл.

Если этот участок оболочки выделить из бактерии, то у нас в руках окажется биологический фотохромный элемент в виде пленки толщиной пять тысячных микрона и площадью около одного микрона. Под воздействием света она из фиолетового превращается в желтую и остается ею, пока не выключат свет. В темноте за одну сотую секунды возвращается в свое исходное состояние, становится фиолетовой. Переходы могут повторяться неограниченное количество раз, цикличность такого природного биохрома необычайно высока.

В 1978 году в одном из институтов Биологического центра Академии наук СССР, что расположен в подмосковном городе Пущино, из таких микропленок сделали фотохромную пленку нормального размера. Результаты испытаний удивили специалистов-фототехнологов, которые привыкли видеть в белке нечто неустойчивое, разваливающееся (денатурирующее) при малейшем повышении температуры, требующем специальных условий хранения. Считалось, что биологический фотохром - экзотика. Думали, что он работать в приборах и аппаратах не сможет.

Биохромные пленки оказались необычайно устойчивыми, выдерживают кипяток, жесткое излучение, действие кислот, мощное лазерное излучение и т. д. Кристаллическая упаковка белковых молекул бактериородопсина не позволяет им разрушаться при самых жестких внешних воздействиях. Это и отличает бактериородопсин от зрительного родопсина, который не кристаллизован и легко распадается на составные части даже под слабым светом.

Выращивают галофилы в специальных культиваторах-люмостатах.

Каждые четыре дня собирают "урожай" в виде биомассы из миллиардов бактерий. Их помещают в обычную воду, и каждая бактерия взрывается в прямом смысле этого слова, ее разрывает избыток соли. Это называется осмотическим шоком. Все органеялы бактерии и ее оболочка распадаются на мельчайшие фрагменты, а участки с бактериородопсином остаются невредимыми. Они тяжелее "мелочи", на которую распалась бактерия, в центрифуге они оседают на дно. Так получают суспензию этих фрагментов биохромных микропленок. Их смешивают с раствором полимера или желатины (она применяется для изготовления обычных фотопленок) и наносят в виде тонкого слоя на стеклянные пластины или на прозрачную ленту. Сегодня это редкий, если не единственный случай, когда автором и производителем фотоматериала является природа.

Использование бактерий для производства необходимых нам белков - это биотехнология. Недавно возникло новое направление - биоэлектроника. И, конечно, появятся новые направления науки и техники, названия которых будут начинаться с приставки "био": биочипы, биокомпьютеры, биосенсоры, биомикроустройства и биомакроустройства. Эта биотехника объединяет физику, химию, электронику с биологией.

Биотехнология - огромная отрасль науки с множеством направлении.

Поиск новых фоточувствительных белков продолжается. В той же галофильной бактерии обнаружено еще два белка. Один отвечает за фототаксис, управляет движением бактерии. Под воздействием солнца она опускается на глубину, при отсутствии света поднимается к поверхности.

Другой белок за счет света "перетаскивает" ионы хлора через оболочку бактерии и таким образом поддерживает одинаковые концентрации соли снаружи и изнутри бактерии. Если баланс концентраций нарушится, то бактерию разорвет, то есть произойдет осмотрительный шок.

В известной по школьным учебникам инфузории-туфельке обнаружен... зрительный родопсин! Удивительный этот факт показывает, как мало мы еще знаем. Зачем инфузории зрительный родопсин? Неизвестно.

Родопсинов в природе много. В глазах рыб, насекомых, птиц; родопсины отличаются типами белков, цветом, механизмом преобразования света.

Бактериородопсиновую молекулу можно "разобрать" на две части: белковую часть и ретиналь (витамин А). Вместо ретиналя можно синтезировать его аналог и снова "собрать" молекулярный комплекс. Мы получим аналог бактериородопсина, цвет которого будет зависеть от типа аналога.

Соответственно и пленки биохром будут разного цвета: желтые, оранжевые, синие, красные. Изменяется и время хранения записанного изображения. В некоторых пленках из аналогов оно в тысячи раз больше, чем в естественном бактериородопсине.

Для удлинения времени хранения записи можно добавлять различные химические и органические элементы в смесь бактериородопсина и полимера или изменять условия выращивания галофилов. Генная инженерия может заставить синтезировать молекулы бактериородопсина негалофильные бактерии, например, кишечную палочку. Микробиологи изменяют природные галофильные бактерии так, что те увеличивают "производительность труда", нарабатывают бактериородопсина больше, чем природные (дикие) штаммы.

Ожидается, что на их основе можно делать оптические диски для так называемой динамической памяти, необходимые для устройств обработки информации.

Мы рассказали только о бактериородопсине, только об одном его свойстве - фотохромности. Но он способен превращать световую энергию в электрическую, изменять цвет под действием электрического поля. Он идеальный электрет. Обладает прямым и обратным пьезоэффектом. Он универсал.