Биосинтез
Многие из применяемых нами веществ, включая спасительные антибиотики и красители для тканей, из которых сшита наша одежда, позаимствованы у других биологических видов. Эти вещества получается извлекать впрямую, но, если удается воссоздать биосинтетический процесс, его можно воспроизвести в лаборатории, химически или посредством суррогатных организмов - например, дрожжей.
В январе 2002 года группа южнокорейских ученых отправилась в лес Юсонгу в Тэджоне, Южная Корея, — собрать там образцы лесной почвы. Прогулявшись меж сосен, ученые взяли образцы почвенного покрова и рыхлой земли у корней деревьев. Их интересовала не сама почва, а миллионы микробов, обитающих в ней. Они искали бактерии, производящие любопытные вещества, еще неведомые науке.
В лаборатории они экстрагировали ДНК этих микробов, а также микробов из леса в долине Чиндонга, и ввели случайные фрагменты этих ДНК в геном бактерии Е. coli (кишечной палочки). Получившимся бактериям-мутантам создали хорошие условия для жизни, и ученые заметили нечто странное: некоторые бактерии получились пурпурные. Не этого исследователи ждали. Они хотели выявить бактерии, производящие антимикробные вещества, из которых потом можно было бы делать лекарства, — как в свое время Александр Флеминг, открывший пенициллин, первый антибиотик, полученный из пенициллиновой плесени. Очистив пурпурный пигмент и подвергнув его разнообразным спектральным исследованиям, включая масс-спектрометрию и ЯМР, ученые поняли, что и пигмент-то не новый. Как ни странно, они обнаружили индиго и индирубин, синий и красный красители, производимые обыкновенно растениями, а тут вдруг — бактериями.
Природные продукты
Это интересный пример биосинтеза — синтеза природных продуктов, поскольку показывает, как совершенно разные биологические виды с далеких друг от друга ветвей эволюции производят одни и те же вещества. Австралийская красильная багрянка и многие другие морские моллюски тоже производят вещество, родственное синему индиго, — тирский пурпур, и его, как и индиго, с древних времен применяют для крашения тканей.
«Природа, премудрый, одаренный и пылкий химик-комбинатор, владеет бесчисленным множеством разнообразных и непредсказуемых методов, располагает изобилием причудливых, но действенных структур...» Янош Берди, химик-органик из Института исследования лекарств ИВАКС, Будапешт, Венгрия
Биосинтез — это любой биохимический синтетический процесс, часто многостадийный и не без участия ферментов, с помощью которого живой организм производит вещества. Химики, однако, именуют биосинтезом процессы, посредством которых получаются полезные и/или коммерчески применимые естественные продукты. Пример — Флемингов пенициллин, а также индиго и тирский пурпур. Хотя индиго и пурпур ныне производятся промышленно, тирский пурпур по-прежнему извлекают из моллюсков, задорого. Чтобы произвести 1 грамм тирского пурпура, требуется 10 000 особей Purpura lapillus, и в 2013 году грамм этого красителя стоил ошеломительные 2440 евро. Есть много других примеров. Производители сыров «рокфор» и «стилтон» не одно столетие применяли естественные вещества, получаемые из Penicillium roqueforti, родственника пенициллиновой плесени.
Большинство природных продуктов, от антибиотиков до красителей, — вещества, именуемые вторичными метаболитами. Первичные метаболиты — соединения, которые организму нужны для поддержания жизни, например белки и нуклеиновые кислоты, а во вторичных метаболитах на первый взгляд, нет очевидной нужды (разумеется, во многих случаях мы пока попросту не знаем, в чем функция этих веществ).
Многие вторичные метаболиты — мелкие молекулы, производимые специфическими организмами, и потому интересно обнаружить, что химически похожие пигменты производятся и растениями, и моллюсками, и бактериями. Никто не знает, зачем бактерии, обитающие в корейских лесах, производят синий и красный пигменты, и в точности так же непонятно, зачем их вырабатывать австралийским моллюскам.
Бактерии против бактерий
По приблизительным оценкам, со времен открытия Флемингом пенициллина в 1928 году из широкого диапазона природного сырья было выделено свыше миллиона различных веществ. Многие из полученных соединений обладают антибактериальным действием. Бактерии почвы, вроде тех, что добыли корейские ученые, — богатый источник антибиотиков. Считается, что живые бактерии производят их как химическое оружие против других бактерий в войне за пространство обитания и пищу, а также, возможно, для коммуникации друг с другом. Поиск новых антибиотиков со временем сделался заполошным — возникли новые штаммы стойких к лекарствам микробов, например Mycobacterium tuberculosis, устойчивый сразу ко многим антибиотикам. Таким образом, микроорганизмы, похоже, по-прежнему лучшие источники препаратов от микробов.
У химиков есть принцип: если понятно, как вещество делается в природе, можно воспроизвести этот процесс или даже его усовершенствовать. Солидная часть лабораторного времени посвящена выяснению механизмов биосинтеза, которые растения, бактерии и другие организмы применяют для создания нужных им веществ. Так произошло с синтетическим антималярийным препаратом артемизинином. Природный источник — полынь однолетняя, но само растение не умеет производить это вещество в количествах, необходимых для лечения миллионов зараженных в год. И потому химики взялись разобраться в биосинтетическом механизме, а также в генах и ферментах, в нем задействованных. Им удалось создать дрожжи, у которых получается синтезировать это вещество. Фармацевтическая компания «Санофи» объявила, что собирается распространять «полусинтетический» артемизинин некоммерчески.
Интересно, что механизмы биосинтеза, приводящие к пурпурным и синим красителям в природе, так до сих пор толком и не поняты, хотя сами продукты применяются не первую тысячу лет. Это подтолкнуло к предположению, что эволюционное совпадение, приведшее к тому, что разные организмы производят очень похожие вещества, на самом деле вовсе не совпадение. Оказывается, внутри железы моллюска, из которой добывают тирский пурпур, есть еще одна железа, битком набитая бактериями. Это пока все еще теория, но, вероятно, пурпурные микробы, подобные тем, что нашлись в корейских лесах, обжили железы морских моллюсков.
Как из хлебной плесени получается пенициллин?
Вид плесени, из которой Александр Флеминг выделил пенициллин, называется Penicillim notatum. Этот вид с удовольствием обитает у вас на батоне или буханке. Флеминг с коллегами много лет пытались понять, как заставить плесень вырабатывать столько вещества, чтобы хватило на производство лекарств и лечение пациентов. Отчасти трудность состояла в очистке, но постепенно стало понятно, что этот конкретный вид плесени попросту не производит вещество в нужном количестве. Ученые взялись искать среди похожих штаммов, какой даст выход побольше, и наконец, обнаружили подходящий - этот живет на дыне-канталупе, Penicillium chrysogenum. Подвергнув эту плесень разнообразным мутагенным процедурам (рентгеновскому облучению, например), ученые получили разновидность, способную производить в 1000 раз больше вещества, чем было получено впервые, и этот штамм эксплуатируют и поныне.
Тирский пурпур
Краситель «тирский пурпур» много веков применялся для окраски тканей, из которых изготовляли облачения знати и тех, кому это было по карману, а его химический состав выяснили сравнительно недавно. В 1909 году немецкий химик Пауль Фридляндер разжился 12 000 шипастых морских ракушек Bolinus brandaris и смог выделить из их гипобранхиальных желез 14 граммов пурпурного пигмента. Фридляндер промыл, очистил и кристаллизовал пигмент, а затем проделал его элементный анализ и получил формулу C16H8Br2N2O2.