Биотехнология от А до Я №8

Портреты на фоне пробирок (часть 2)

Еще одно лирическое отступление. В конце XIX – начале XX века скорость появления открытий в науках о жизни заметно ускорилась. Крупные (по-настоящему крупные!) открытия – новые белки, гормоны, витамины, ферменты, функции клеточных структур, биохимические механизмы обмена веществ в клетках стали появляться сначала каждый год, потом – по несколько раз в год. Поэтому я не буду утомлять читателя подробным изложением истории биологии и других естественных наук. И позволю себе оставить за кадром многие открытия – пусть даже действительно важные – если для того, чтобы понять, что, собственно, открыто в этом открытии, школьного биологического образования не хватит.

Любой, кто когда-то сдавал экзамен по биохимии, и тем более тот, кто и сейчас имеет к ней непосредственное отношение, снимет шляпу при словах: «В 1937 г. Кребс открыл цикл трикарбоновых кислот». Всем остальным для того, чтобы оценить значение цикла Кребса в жизнедеятельности клетки, пришлось бы выучиться на биохимика – не меньше.

Поэтому дальше я позволю себе включать в этот и без того длинноватый и скучноватый список открытия: а) самые глобальные и б) такие, смысл которых я смогу изложить более-менее внятно и коротко.

фон Беринг (von Behring) Эмиль (1854-1917). Впервые применил на практике метод пассивной иммунизации против инфекционных заболеваний.

Помните рассказ Чехова «Попрыгунья»? Если нет – прочитайте. Мало того, что художник Левитан признал себя в одном из любовников главной героини и так обиделся на Антона Павловича, что дело чуть не дошло до дуэли. Намного интереснее то, что единственный положительный герой – доктор Дымов – заразился дифтерией, когда пытался отсосать через трубочку дифтерийные пленки, из-за которых задыхался больной ребенок. Сейчас, чтобы умереть от дифтерии, и взрослым, и детям надо очень постараться – ухитриться не сделать прививку, а когда заболеешь – снова скрываться от врачей и не дать ввести себе дифтерийный анатоксин. А благодарить за это надо герра фон Беринга и его коллег.

То, что заражение ослабленной формой возбудителя болезни приводит к невосприимчивости к ней, было известно еще со времен Дженнера. Даже ученый термин для этой невосприимчивости врачи позаимствовали у юристов – латинское слово «иммунитет» – «неприкосновенность». Неизвестно было только, как и почему вырабатывается эта неприкосновенность. Согласно гуморальной теории, сторонником которой был, в частности, Беринг, после контакта с возбудителем заболевания в крови пациента образуются определенные вещества, которые способствуют уничтожению возбудителя. Эти вещества сохраняются в крови достаточно долгое время, поэтому при повторном контакте с тем же возбудителем пациент уже не заболеет. Сторонники клеточной теории считали, что болезнетворных микробов уничтожают открытые Мечниковым фагоциты, одна из форм лейкоцитов – белых клеток крови. Как это часто бывает в научном споре, победила дружба: обе точки зрения оказались правильными, но только в середине ХХ века окончательно сформировалась современная теория иммунитета. В ней объединились и «особые вещества» – антитела, и не меньше десятка различных специализированных типов клеток, включая такие, название которых мне очень нравится: просто и скромно – Т-киллеры. А Пастер, Беринг, Кох и другие общеизвестные и забытые спасители человечества работали, по сути, вслепую, а теорию иммунитета разрабатывали параллельно с практикой.

Первый вариант вакцины против дифтерии представлял собой именно ослабленный штамм возбудителя. Однако при таких заболеваниях, как дифтерия или столбняк, опасность представляют не столько сами микробы, сколько вырабатываемые ими токсины, настолько ядовитые, что невозможно подобрать такую их дозу, чтобы выработать у пациента иммунитет и гарантировать, что он от этой прививки не умрет.

В поисках надежного способа выработки иммунитета к токсинам Беринг и его коллеги открыли метод сывороточной терапии. Сывороткой называют жидкую часть крови, которая остается после того, как из крови удалены все клетки (форменные элементы крови). Лабораторным животным вводили рискованные дозы токсинов, а сыворотку крови выживших кроликов, мышей и прочих морских свинок вместе с находящимися в ней антителами вводили в кровь другому животному. Чужие антитела обеспечивали привитому животному иммунитет к этому токсину.

В 1890 г. Берингу вместе с сотрудниками его лаборатории Эрихом Вернике (Wernicke, слева) и Шибазабуро Китасато (Kitasato, справа) удалось получить первые эффективные иммунные сыворотки против дифтерии и столбняка. Первых пациентов вылечили от дифтерии в 1891 г., но поначалу эффективность иммунизации была относительно низкой, так как для производства вакцин не удавалось выделить токсин в достаточно высокой концентрации. Эту задачу, а также методы точного определения активности сыворотки удалось решить с помощью другого Нобелевского лауреата – Поля Эрлиха. В 1894 г. под руководством Беринга фармацевтическая компания Hoechst начала широкомасштабное производство вакцин на основе вначале овечьей, а затем – лошадиной сыворотки. В наше время фирма Hoechst – одна из крупнейших международных фармацевтических и биотехнологических компаний. Имя Беринга было увековечено в названии ее всемирно известного подразделения Behring Diagnostics, которое затем после ряда структурных преобразований вошло в состав компании Aventis Behring.

Нобелевскую премию по медицине Беринг получил в 1901 году за работы в области сывороточной терапии, в особенности за создание антисыворотки против дифтерийного токсина.

Бюхнер (Buchner) Эдуард (1860–1917), немецкий химик. В 1897 году установил, что спиртовое брожение может происходить без участия клеток – в дрожжевом экстракте. Это открытие положило начало выделению и изучению ферментов.

Хотя о существовании ферментов, выполняющих роль катализатора в различных биохимических процессах, было известно примерно с середины XIX века, многие процессы (например, брожение) удавалось осуществлять только с помощью живых клеток. Бюхнеру впервые удалось осуществить брожение и ряд других биологических процессов в бесклеточных системах и показать, что происходящие при этом превращения органических веществ вызваны именно химическими процессами, а не мистической «жизненной силой». Сейчас сотни ферментов, и в виде растворов, и фиксированных на твердом носителе – в гелях, на поверхности пленок, трубок, пластин и т. д. – используются в тысячах вариантов в науке, промышленности и медицине.

Нобелевская премия по химии (1907) за эксперименты по проведению ферментативных процессов в бесклеточных системах и другие работы в области биохимии ферментов.

Цвет Михаил Семенович (1872-1919). Автор ряда исследований по ботанике, физиологии растений и биохимии хлорофилла. В начале 1900-х годов впервые предложил метод хроматографического разделения многокомпонентных смесей.

Если вы совсем не знаете, что это такое, накапайте на салфетку чернил от фломастера или чего-нибудь в этом роде, в центр чернильного пятна понемногу подкапывайте спирта, ацетона (или жидкости для снятия лака с ногтей) и помедитируйте, созерцая расползающиеся кольца. Особенно интересные результаты получаются, если в состав красителя входит несколько пигментов, и коричневое пятно разделяется на красный и зеленый ободки. Я почти уверен, что гениально простой способ разделения сложной смеси на отдельные вещества пришел в голову Михаилу Семеновичу после попытки вывести газолином пятно с мундира. Это делали многие и до него, и после, но и ванну принимали многие современники Архимеда, и яблоки много кому падали на голову… А какое символическое значение слышится в фамилии изобретателя хроматографии…

Можете поставить еще один опыт, доступный любому юному биохимику. Залейте столовую ложку мелко нарезанного шпината или любой другой свежей травы спиртом, через несколько часов процедите полученный раствор в прозрачную емкость и созерцайте, как хлорофилл опалесцирует в проходящем через раствор свете. Капните этим раствором на салфетку, понемногу добавляйте растворителя и посмотрите, как пятно разделится на два кольца – зеленое в центре и желтое, состоящее из каротиноидов, снаружи. Если в качестве растворителя использовать бензол, зеленое кольцо разделится на две фракции – хлорофиллы a и b. Именно с этого начинали исследование свойств хлорофилла сто лет назад. Хроматографию, без которой невозможно представить современную биологию и химию (и науку, и производство) Цвет изобрел как вспомогательный инструмент – ему было необходимо разделить различные формы хлорофилла, выполняющие в процессе фотосинтеза разные функции. Возможно, вначале Цвет и пытался разделять смесь спиртового экстракта свежих растений на хлорофилл и все остальное, а хлорофилл – на разные фракции с помощью промокашки. Но практичной оказалась немного более сложная конструкция.

Длинную стеклянную трубку (колонку) плотно набивали порошком мела (сорбентом). На поверхность мела наносили образец исследуемой смеси веществ. Затем на колонку медленно подавали растворитель – бензол. Молекулы растворялись в бензоле и вместе с ним продвигались вдоль колонки. Более легкие или слабее связанные с сорбентом двигались в первых рядах, а тяжелые или прочнее связанные – отставали. В результате казавшаяся однородной смесь разделялась на несколько зон, в каждой из которых были отличавшиеся по окраске и химическим свойствам вещества. Хроматография оказалась исключительно ценным инструментом биохимических исследований. Из стеклянной трубки, набитой мелом, выросло множество вариаций метода, вплоть до встроенного в приборную панель газового хроматографа, который не позволяет пьяному водителю завести машину.

За свое открытие М. С. Цвет был выдвинут на соискание Нобелевской премии. В силу различных обстоятельств премию ему не присудили, но свои открытия именно с помощью разнообразных модификаций хроматографического метода сделали многие нобелевские лауреаты – Пауль Каррер (1937), Ричард Кун (1938), Адольф Бутенандт (1939), Арчер Мартин и Ричард Синг (1952), Фредерик Сенгер (1958 и 1980).

Рентген (Rőntgen) Вильгельм, немецкий физик (1845-1923).

Сейчас трудно найти человека, которого ни разу не просвечивали рентгеновскими лучами. А сто с небольшим лет назад открытие Х-лучей произвело фурор в обществе и стало крупным шагом в развитии науки. В биологии и медицине рентгеновские лучи применяются тысячей способов – для снимков внутренних органов и лечения опухолей, анализа структуры макромолекул (в частности, структуру молекулы ДНК установили именно с помощью рентгеновского микроскопа), воздействия на клетки с целью вызвать мутации в той же ДНК (например, для получения новых сортов растений или штаммов микроорганизмов с помощью традиционных методов селекции).

Нобелевская премия 1901 года по физике за открытие рентгеновского излучения.

Кох (Koch) Роберт (1843-1910). Имя Роберта Коха ассоциируется у большинства с так называемой «палочкой Коха» – возбудителем туберкулеза. Действительно, опубликованное в 1882 исследование туберкулеза заложило основы современной фтизиатрии – науки о диагностике и лечении туберкулеза. Кох впервые доказал, что это заболевание вызывается микроорганизмом Mycobacterium tuberculosis, разработал специальный метод окрашивания, позволяющий выявлять возбудителя в образцах крови, мокроты и тканей, а также предложил метод выращивания возбудителя в культуре, без чего микробиологические исследования были бы невозможными.

Но исследования туберкулеза – это только одна из многих заслуг Коха перед наукой и человечеством. Кроме туберкулеза, он исследовал такие опасные инфекции, как сибирская язва, трахома и холера (именно Кох впервые выделил культуру холерного вибриона). Выработанные им способы «охоты за микробами» составляют фундамент современной микробиологии и эпидемиологии. Он разработал методы выделения «чистых культур» бактерий и выращивания их на питательных средах. Среды, приготовленные по рецептам Коха, и сейчас есть почти в каждой микробиологической лаборатории. Кох впервые обосновал алгоритм, позволяющий доказать, что заболевание вызвано именно этим из десятков видов микроорганизмов, высеянных из организма больного и выделенных в чистые культуры (так называемые «постулаты Коха»).

В начале 80-х годов XIX века Кох в сотрудничестве со своим коллегой Петри предложил способ выращивания микроорганизмов на твердой среде – те самые «чашки Петри», без которых нельзя представить себе многие биологические исследования.

Кох отдал много сил работе над противотуберкулезной вакциной. К сожалению, туберкулин, препарат, полученный им в 1886 г., в качестве прививки оказался неэффективным. Тем не менее, туберкулин работает до сих пор – как тест на наличие в организме палочек Коха. Модификацию туберкулиновой пробы – реакцию Манту – все вы наверняка помните: по размерам красного пятна на предплечье можно судить о выраженности иммунитета к туберкулезу.

Кох получил Нобелевскую премию 1905 г. (медицина) за открытие возбудителя туберкулеза и другие исследования в этой области. А вакцину от туберкулеза – всем известную БЦЖ – разработали французские микробиологи, ученик Пастера Альбер Кальмет и его коллега Шарль Герен – только в 1921 году.

Александр Чубенко

Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/