Аминокислотная «Одиссея»
Стихи — единственное, с чем можно сравнить последовательность аминокислот в белке натуральной паутины. Отсюда ее уникальные свойства: прочность, эластичность, легкость. Для биотехнологов паутина — это вызов. Кто напишет лучшую поэму из аминокислот, паук или генные инженеры? Сможет ли наука воспроизвести все тонкости аминокислотных «рифм» или это — великая тайна природы? Поэтическое соревнование между биотехнологами и пауками идет уже несколько десятилетий. Корреспондент «РР» решил подвести итоги
Паук может применять свою нить для самых разных целей: охота, привлечение сексуального партнера, защита потомства, страховка во время прыжков, транспортное средство, стенки дома и так далее. Паутина используется даже как емкость для переноса семенной жидкости
В от представьте, что вы ползете по веточке, — наглядно объясняет профессор кафедры зоологии беспозвоночных и водной экологии Пермского университета Сергей Есюнин. — Если сорвались — зацепились паутинкой, подтянулись и дальше ползете. Очень удобно.
Я честно представляю, как ползу по веточке. Сорвалась, зацепилась, подтянулась, поползла дальше. В самом деле, очень удобно.
Есюнин — известный энтомолог, точнее арахнолог, специализируется по уральским паукам. Судя по голосу, человек застенчивый и тихий. Похоже, пауки для него не только предмет научного интереса,
Ловушка для «боинга»
За миллионы лет эволюции природе приходили в голову самые странные идеи. Правда, большинство бесследно забылось как неперспективные. Паутина была перспективной.
Эволюционная история паутины началась почти по Ницше — с жажды власти. Паук бежал и метил собственную территорию с помощью желез, расположенных на конечностях. Потом метящее вещество стало приобретать вид нити, что оказалось удобным во всех отношениях. Предположительно паутинные железы
— Мы мало что об этом знаем, — честно признается Есюнин. — У пауков мягкие покровы, они не сохраняются. Палеонтологи тут нам ничего не скажут, мы делаем только некую экстраполяцию. Сначала паук научился цепляться нитью за ветки, потом начал строить убежища. А потом оказалось, что если край убежища вытянуть, это будет полезно для поимки жертвы.
Так появилась паутина. Причем разная. На одной паук летает, другой ловит мух, третьей опутывает кладку яиц. Даже сперму самцы носят в специальных сеточках из паутины. В общем, паутина для паука — это все.
С человеческой точки зрения самыми фантастическими свойствами обладает каркасная нить ловчей паутины. В любой популярной энциклопедии можно прочитать, что эта нить в пять раз прочнее стали, в два раза эластичнее нейлона и к тому же не растворяется ни в воде,
— Знаете, любят приводить такой пример, — говорит доктор
Ну, это так, для журналистов. А для ученых…
— Вот последовательность аминокислот паутинного белка спидроина, — рассказывает ведущий сотрудник лаборатории белковой инженерии ГосНИИ генетики Владимир Богуш.
На экране компьютера возникают ряды латинских букв, обозначающих аминокислоты. Буквы повторяются, а строки, которые они образуют, явно рифмуются.
— Здесь используются всего семь аминокислот из двадцати возможных, — говорит Богуш. — Белок в принципе простой. Эти отрезки идут один за другим, мы их называем аминокислотными мотивами. Они все очень похожи. Они построены как стихи. Американцы их даже на музыку положили, и действительно получилась мелодия. Видите, это же явно
Боже мой! Передо мной настоящий гекзаметр, аминокислотная «Одиссея». Пафос уральского арахнолога Есюнина вполне понятен: такое мог написать только бог. Куда уж тут нам с нашими технологиями! Между тем Богуш продолжает вполне спокойно:
— Эти мотивы тут не просто так. Видите, здесь две буквы часто повторяются — «а» и «г». Это аланин и глицин. Вот благодаря такому строению этот белок и обладает уникальным свойством: он собирается в надмолекулярные структуры.
Стоп. На этом месте из ГосНИИ генетики перемещаемся в МГУ к Константину Шайтану. Он отвечает за пространственные структуры белков: как математик, он их просчитывает и моделирует.
— В спидроине происходит вот что, — рассказывает Шайтан. — Когда несколько полиаланиновых участков сближаются, они имеют тенденцию к слипанию. А дальше этот слипшийся кусок сворачивается в суперспираль. Такая скрутка соединяет полиаланиновые участки разных молекул чрезвычайно крепко. Прочность такого волокна становится близка к теоретической, то есть к прочности разрыва химических связей.
Пробовали рвать железную проволоку? Ее прочность обеспечивается за счет связей между микрокристалликами металла. В паутине же полиаланиновые участки соединяются друг с другом не в одной точке, как кристаллы металла, а «с перехлестом», то есть в тысячах точек одновременно. Разорвать такую сцепку труднее раз в двадцать.
Если аланин обеспечивает паутине прочность, то глицин отвечает за эластичность.
— Участки, где много глицина, формируют такой плотный клубок, в который как бы вмонтированы кристаллы полиаланина, — говорит Константин Шайтан. — Эластичность паутины с физической точки зрения имеет ту же природу, что и эластичность резины. Когда вы этот клубок растягиваете, вы уменьшаете его энтропию и увеличиваете свободную энергию. Как только напряжение снимается, система возвращается в состояние с максимумом энтропии и минимумом свободной энергии, то есть обратно в клубок.
Тактично обойдем стороной большую физику и скажем главное: молекулы спидроина оказываются намертво «зарифмованы» друг с другом. Этот чередующийся мотив
Дойные пауки и паутиновые овечки
Итак, перед нами уникальный природный материал. Мы знаем его свойства и понимаем, как он устроен. Пожалуй, пора говорить о его производстве. Перспективы соблазнительные. Представьте себе легчайшие нервущиеся ткани, паутинные бронежилеты, стропы и веревки особой прочности, ну и так далее. Собственно говоря, использовать паутину начали еще в 1880 году: каркасные нити отлично работали в оптических приборах.
Пик славы паутины пришелся на Вторую мировую войну. Тогда для нужд военной оптики ее требовалось так много, что в США ее производили целых десять фирм. Как? Да просто: пауков разводили и доили. Опыт с тутовым шелкопрядом, которого разводят уже, слава богу, пятое тысячелетие, вроде бы обнадеживает. Однако паук не гусеница. Наладить промышленное разведение дойных пауков
— Мы пытались научиться доить паука, — грустно рассказывает Сергей Есюнин, — и сразу поняли, что промышленного выхода не будет. Допустим, вы хотите получить мясо. У вас есть трава и корова. Складываете и получаете мясо. А если мы берем пауков, то цепочка длиннее. Сначала надо вырастить мух, скормить их пауку, а потом он даст паутину. Но ведь больших мух, которых едят пауки, тоже кормят мухами — маленькими. Значит, надо вырастить еще и этих мух. А их тоже надо кормить. И потом, пауки не стадные животные, для каждого нужен отдельный загончик.
Кстати, впервые организовать паучью ферму пытались еще триста лет назад, в XVIII веке. Кончилось все печально. Пауки, любовно собранные французским энтомологом Бон
Впрочем, работы по изучению паутины и сейчас начинаются с паучьей дойки. Из современных технологий для этого нужна только дрель.
— Мы начинали с того, что доили пауков, — рассказывает Владимир Богуш. — Пригласили паучника из МГУ, поехали на Дальний Восток и наловили там крестовиков Уемуры (Araneus uemura — самый крупный представитель крестовиков, обитающий в Южном Приморье. — «РР»). Потом паука скотчем за лапки приклеивали к столу. Выдавливали кусочек паутинки, прилепляли к стеклянной палочке, вставляли ее в дрель и включали. Пять минут — и паук выдоен. Получалась бухточка весом в несколько миллиграммов.
Владимир Богуш — молекулярный биолог. Для него паутина — это уникальный белок, образующийся в результате работы определенного гена. Белок, как известно, представляет собой аминокислоты, собранные в определенной последовательности. А ген — нуклеотиды. Тоже в определенной последовательности. Есть белок — значит, есть и ген, в котором белок зашифрован. Если подходить к делу с журналистским легкомыслием, то все просто: находим гены, отвечающие за производство белков паутины, клонируем их, затем вставим в геном другого живого существа — и тогда паутину будет производить вовсе не паук, а, допустим, коза. Точнее говоря, ее молоко будет содержать вот этот самый паутинный белок, из которого теоретически можно сплести паутину.
Именно так пробовали поступить канадские ученые. Генномодифицированные козы были выведены. Увы, почти безрезультатно. Количество спидроина в молоке оказалось недостаточным. Мечты о промышленном производстве паутины не сбылись.
Богуш пошел другим путем. Он синтезировал искусственные гены паутины и совместно с коллегами из НИИ Общей генетики вмонтировал их в геном картошки и табака. Выход спидроина оказался чуть выше, но тоже очень небольшой. Мечты снова остались мечтами.
Еще одна попытка — овцы. Спидроиновая шерсть — о, что бы это было за чудо! Овечий эксперимент пока не закончен. Вроде бы шерсть действительно стала более эластичной. Но присутствие в ней спидроина надо еще доказать, что технологически довольно сложно.
Паутина на дрожжах
Картошка и козы — это, конечно, здорово, но генетики предпочитают работать с бактериями. Простота генноинженерной логики — чистая видимость. Все процессы безмерно сложны. А тут еще корма, фермы, выпас. В случае же с бактериями вся технология умещается в чашке Петри. Однако со спидроином не справились даже бактерии.
— Эту последовательность нельзя целиком воспроизвести, — говорит Владимир Богуш. — Ген очень большой и очень сложный. Точнее, не сложный, а состоящий из многих и многих периодических повторов. Можно сделать один повтор, размножить, и получится длинный ген. Но эти последовательности для бактерий очень неудобные.
— Поэтому мы выбрали дрожжи, — резюмирует свою повесть Богуш. — Это — высший организм, ему с такими сложными белками легче справиться.
Итак, после коз, картошки и овечек наш аминокислотный Одиссей
— Сначала мы наращиваем биомассу, — Богуш честно перечисляет все технологические этапы, — потом на центрифуге ее собираем, потом разрушаем клетки дрожжей. Потом берем растворимую и нерастворимую фракции. А потом этот спидроин оттуда экстрагируем всякими разными способами. После этого хроматографируем, делим и выделяем в чистом виде. Потом мы его сушим и получаем вот такую белую вату — сухой чистый белок, готовый для всяких игрищ с ним.
Я про себя считаю количество необходимых операций, получается как минимум восемь.
Между тем Богуш показывает маленькую пробирку, внутри которой лежит кусочек белой ватки. Это и есть спидроин — цель многовековых усилий биологов, зоологов, технологов, генетиков. Казалось бы, можно с облегчением выдохнуть. Но от кусочка белой ватки до бронежилета еще далеко. Перед нами всего лишь белок, белковая масса. Нам же нужна нитка. И биотехнологам приходится ломать головы и снова брать у пауков уроки.
Воспитание паутины
— У паука в железе спидроин находится в растворенном виде, — рассказывает Константин Шайтан, — он обретает вид нити, когда выходит из железы наружу. Самое главное происходит именно в момент выхода. Там у паука целая машинерия работает. Общая идея понятна. Но воспроизвести это — такого пока нет, народ ищет.
Владимир Богуш — один из тех, кто ищет. Если природа работает по вдохновению и путем перебора множества вариантов, то ученый следует за здравым смыслом. Что позволяет удалить из раствора воду? Правильно, спирт.
— Берем несколько миллиграммов белка, растворяем и через очень тонкий капилляр пропускаем в сосуд со спиртом, — на пальцах объясняет Богуш. — Струйка такая течет. Белок в этот момент начинает превращаться в нитку.
Нитка, вышедшая из спирта, слабо напоминает паутину. Как говорит Богуш, она еще невоспитанная. Слабенькая совсем. Воспитание нитки — еще один технологический этап.
— Эту нитку потом надо перевести в другой спирт, — снова загибает пальцы Богуш и сыплет терминами, расшифровывать которые слишком долго, да и не нужно. — Потом надо растянуть, потом высушить. Потом идет пластификация. Потом отжиг. И потом нитка становится прочная и упругая.
Эта «воспитанная» нить уступает природной в пять раз. Но по энергии разрыва она уже превосходит кости и сухожилия. В принципе этого достаточно, для того чтобы
Пожмем конечности, друзья
— Честно говоря, эти ниточные дела у нас такие… игрушечные, — с некоторым смущением признается Богуш. — Если бы этого белка было безумно много, мы могли бы его уже в текстильную промышленность запускать. Бронежилеты из него делать, самолеты ловить… Знаете, когда самолеты на авианосцы садятся, у них есть такая специальная сеть для торможения. Но надо, чтобы паутина была дешевая и ее было много. Пока так не получается. О тоннах речь не идет.
Сколько же спидроина может выдать его лаборатория, интересуюсь я и получаю в ответ испуганный взгляд.
— Я вам это не могу сказать, — неловко говорит Богуш. — Это, ну как это называется… коммерческая тайна.
«Коммерческая тайна» — словосочетание не из научного лексикона. Однако Владимиру Богушу, скорее всего, придется к нему привыкать. Его научные «игрища» стоят на той зыбкой границе, за которой начинается совсем другая история — производство, поставщики, проблемы сбыта. Пока это только наука, настойчивое любопытство естествоиспытателя. Но еще
— Все это крайне интересно для медицины, для тонких вещей, — уже вполне уверенно говорит Богуш.
— Это — большая работа, и она в самом начале, — говорит Богуш. — Главное было научиться делать белок. Мы его сделали. Выстроили правильную последовательность, добились того, что он образует надмолекулярные структуры. Дальше — техника. Ну, там деньги нужны, конечно, организация производства…
Мы, впрочем, не про бедность отечественной науки. Это в другой раз. Я вспоминаю скептическое замечание Сергея Есюнина из Перми: «Мы так далеки от того, чтобы повторить созданное природой, что ни о какой искусственной паутине речь идти не может». Так в чем же смысл адской работы биотехнологов? Можем ли мы сказать, что получили искусственный аналог природного чуда, или паук так и остался вершиной паутинной эволюции?
Собственно говоря, в этом главный сюжет биоинженерии: подсмотреть, что делается в природе, и воплотить в нечто иное по форме, но схожее по принципу. Эволюционный замысел паутины — «рифмующиеся» аминокислотные последовательности, которые образуют сверхпрочные надмолекулярные связи. Освоить новые рифмы оказалось делом времени. Поэтическое состязание пауков и биотехнологов завершилось со счетом 1:1. Соперники жмут друг другу конечности и расстаются друзьями.
Фото: Getty Images/Fotobank; Chmura Frank/East News; Minden pictures/Fotobank; SPL/East News\; AP; Minden Pictures/Fotobank; Getty Images/Fotobank; SPL/East News; NASA
