А. А. Клёсов
Интернет: Заметки научного сотрудника
23. О принципиальной разнице между инженером и ученым. И еще – о приоритете в науке
В своей весьма познавательной книге («70 и еще пять лет в строю») А.Е. Ашкинази дает определение «инженерного подхода к жизни». Это – понять, придумать и сделать. В этом отношении ученый, в отличие от инженера, руководствуется совершенно другим финальным принципом, а именно опубликовать. Если оперировать подобной по конструкции триадой, то изучить, понять и опубликовать. Если результат работы инженера – материализация замысла путем изготовления изделия, то результат работы ученого – материализация замысла путем вливания результатов исследования в информационные потоки. Нет потоков – нет ученого. То есть физически он может и быть, но об этом никто не знает.
Доводя эту мысль до совсем уж наглядного примера, представим, что инженер навсегда попал на необитаемый остров. Инженер – он и на острове инженер. Толковый инженер облегчит свою жизнь тем, что построит из подручных средств приспособления, изделия и прочее. Ученый, попавший на остров навсегда, может изучать на острове что угодно, измерять скорости морских течений, разрабатывать новые разделы теоретической физики, химии или математики, наблюдать за звездами и так далее, но по причине отсутствия информационных потоков это полученное и выработанное знание не станет достоянием человечества. Если, конечно, его записки когда-нибудь не найдут и не опубликуют. Но опять, заметьте, не ОПУБЛИКУЮТ.
Вот этот простой, но ключевой принцип – вхождение в информационные потоки – помогает понять и разрешить многие недоразумения, связанные с приоритетом ученого, приоритетом его научных работ. Довольно часто приходится слышать, что такой-то первым у нас в стране то-то разработал, но приоритет несправедливо приписывается зарубежному ученому. Начинаешь смотреть – ба, да наш ученый ничего и не публиковал по части своего открытия. Доложил на семинаре в своем учебном заведении – и всё. Либо опубликовал в «Записках» своего института. Либо поделился в частном письме другу. Либо записал в своем дневнике. Сейчас это откопали и считают, что вопрос о приоритете должен быть пересмотрен. Но это неверно. Просто не были задействованы адекватные информационные потоки.
И в связи с этим необходимо сформулировать еще один принцип: приоритет обычно принадлежит не тому, кто открыл, а тому, кто УБЕДИЛ. А убедить часто не менее сложно, чем открыть. Естественно, если тот, кто открыл, тот и убедил, – честь и хвала. Тогда вопрос о приоритете бесспорен.
Вспоминаю историю, которую когда-то читал. Дело было на рубеже XIX и XX веков. Некий русский ученый, фамилию забыл, как-то разбил на подоконнике сырое куриное яйцо. Возможно, готовил завтрак и кокнул. Судя по истории, аккуратностью ученый не отличался и так и оставил разбитое яйцо на подоконнике. Примерно через месяц он набрел на это самое яйцо и заметил, что оно не испортилось. Точнее, не оно, а то, что от него осталось. Высохло, но не заплесневело, микроорганизмы на остатках не выросли. Он отметил этот факт записью в своем дневнике. Более детальных исследований не проводил.
Через двадцать лет после этого, а именно в 1921 году, английский исследователь Александр Флеминг работал в лаборатории с культурами микроорганизмов. У него в тот день был насморк. Наклонившись над чашкой Петри, – а это небольшая стеклянная тарелочка, в которой выращивают микробные культуры, – он нечаянно уронил каплю с носа прямо на слой микробов. Тоже, похоже, не отличался аккуратностью. Более того, не выбросил эту чашку сразу, как обязан был сделать любой научный сотрудник, поскольку о чистоте эксперимента в этой чашке можно уже не думать. Иначе говоря, не только был неаккуратен, но и просто был раздолбаем, как охарактеризовали бы его очень многие микробиологи, да и прочие исследователи.
Через некоторое время Флеминг подошел к той чашке, чтобы, видимо, все-таки выбросить, но обратил внимание, что в том месте, куда упала капля из носа, образовалась светлая круглая зона. Это «просветление» является первым знаком, что микроорганизмы в той зоне погибли. Флеминг тут же сообразил, что из капли в чашке Петри произошла диффузия некого вещества, которое убивает микроорганизмы. Более того, у него появилась мысль, что носовая жидкость содержит это самое бактерицидное вещество для защиты организма. Ведь воздух, которым мы дышим, часто поступает именно через нос и, таким образом, выходит, не только фильтруется, но и обеззараживается!
Флеминг занялся носовой жидкостью и открыл, что там находится фермент лизоцим, который разрушает клеточные стенки микроорганизмов и тем самым убивает их. Как выяснили уже другие и позже, лизоцим разрывает определенные химические связи, стягивающие бактериальную клеточную стенку, и бактерия либо лопается от высокого внутриклеточного давления, либо просто распадается на части и растворяется. Флеминг нашел, что особенно много лизоцима находится в курином яйце. Тоже, надо полагать, для защиты от микробов. Много лизоцима оказалось и в слезах, где фермент тоже выполняет противомикробную защитную функцию.
В отличие от нашего русского ученого, фигурировавшего в описанной выше истории, Флеминг опубликовал на эту тему целый ряд статей. Более того, работы по лизоциму – косвенно – привели Флеминга через семь лет к открытию пенициллина. И тоже в высшей степени случайно и, что поразительно, тоже в результате «грязного», неаккуратного эксперимента. Дело было так. Флеминг уезжал на две недели в отпуск и сгрузил целую гору чашек Петри со стафилококковыми бактериальными культурами в лабораторную раковину. Ни поставить культуры в теплый инкубатор, ни вымыть их он до отъезда не успевал. Так и бросил. Приехав, занялся разборкой завала, добрался до раковины. По привычке исследователя, прежде чем сбросить чашки Петри с их содержимым в дезинфицирующий раствор, он снимал с каждой стеклянную крышку и осматривал культуру. Стеклянные крышки, впрочем, были не на всех. Вдруг он обнаружил, что содержимое одной – всего лишь одной – чашки Петри выглядит странно. В чашку явно залетела какая-то дрянь и проросла желто-зеленой плесенью. Однако стафилококковых бактерий вокруг этой плесени не было! Желто-зеленая явно инородная блямба была окружена зоной просветления, как и в том случае с лизоцимом. Плесень явно выделяла вещество, убивающее стафилококковые бактерии.
Идентификация культуры показала, что она принадлежит плесени, имеющей биологическое название Penicillium notatum. Оказалось, что плесень залетела из микологической лаборатории этажом ниже. Так или иначе, а нагромождение случайностей и халатности привело к настоящему открытию века – пенициллину. Так Флеминг назвал химическое вещество, выделяемое плесенью. Открытие произошло в 1928 году.
Уже в следующем, 1929 году Флеминг опубликовал перечень патогенных бактерий, инфекционных для человека, которые уничтожаются пенициллином. Этот перечень патогенов, чувствительных к пенициллину, впечатляет: стафилококки, стрептококки, пневмококки, гонококки, менингококки, спирохеты и ряд вибрионов. Но самое главное – это Флеминг особенно подчеркнул в своих последующих публикациях, – что пенициллин, уничтожая патогены, совершенно не токсичен для человека, не действует на лейкоциты крови, выполняющие важнейшую бактерицидную функцию в организме. В отличие, например, от другого антисептика, фенола, который в первую очередь убивает лейкоциты, оставляя практически нетронутыми стафилококки, пенициллин оказывает противоположное действие, и в этом оказалось его уникальное антисептическое свойство.
Поначалу к открытию Флеминга отнеслись довольно прохладно. Разработки были не торопясь продолжены другими научными коллективами, которые занимались химической структурой пенициллина, механизмом его действия и способами его лабораторного получения. Но начавшаяся через некоторое время война сыграла роль катализатора исследований и разработок получения пенициллина, ускоренно перешедших в промышленные. Начиная с 1940 года в США были созданы огромные по тем временам заводы по получению пенициллина. Пенициллин оказался спасителем миллионов людей.
За эти разработки Александр Флеминг получил Нобелевскую премию. Вместе с Эрнстом Чейном и Говардом Флори, учеными, которые в конце 30-х – начале 40-х годов продолжили работы Флеминга по пенициллину, описали химическую структуру антибиотика и показали его терапевтическое действие.
В своей нобелевской лекции, прочитанной 11 декабря 1945 года, Флеминг рассказал про открытие лизоцима и пенициллина и про смысловую связь между этими открытиями. Он, в частности, сказал: «Я мог бы сочинить историю, что эти открытия были результатом глубоких раздумий, основанных на внимательном изучении литературы, что вещества антибактериальной природы должны были синтезироваться плесенью и что исходя из этой идеи я тщательно спланировал эксперименты и добился успеха. Но это было бы неправдой. Правда в том, что всё это было результатом случая. И наблюдений».
Кстати, первый пациент, чью жизнь спас пенициллин, женщина по имени Анне Миллер, умерла не так давно, 27 мая 1999 года в возрасте 90 лет, в Салисбюри, штат Коннектикут. На известной давней фотографии она стоит рядом с Александром Флемингом. Пенициллин спас ее от стрептококковой инфекции. В марте 1942 года Миллер была госпитализирована в Нью-Хейвене, Коннектикут, с температурой 107 градусов по Фаренгейту (41.7 градуса Цельсия). Ей вводили сульфоновые лекарства, переливали кровь – ничего не помогало. По чистой случайности ее врачам попало в руки небольшое количество пенициллина, который тогда все еще был экспериментальным препаратом, и они сделали Миллер укол. Температура резко упала, женщина пришла в сознание и вскоре уже могла есть. Так что пенициллин получил свое прозвище «чудо-лекарство» (miracle drug) не на пустом месте.
Кстати, за пенициллин Флеминг патент не получил. Не потому, что не выдали, а потому, что сам на патент не подавал. В то время и, собственно, сейчас то, что создано природой, патентованию не подлежит. Правда, впоследствии возникли легенды, что ученый не патентовал из моральных соображений. Это, конечно, не так. Во-первых, от открытия пенициллина в 1928 году до осознания практических масштабов открытия благодаря работам Чейна и Флори прошло больше десяти лет. Во-вторых, Флеминг и понятия не имел о химической структуре открытого им пенициллина. В-третьих, Флеминг сразу же опубликовал свои работы в открытой печати, что уже закрывало возможности патентования, поскольку информация о пенициллине стала достоянием общественности.
Не запатентовал открытую им вакцину от полиомиелина и Ионас Солк, знаменитый американский вирусолог. Во время телевизионной дискуссии он риторически вопрошал: «Можно ли запатентовать Солнце?» – что опять трактуют как проявление моральных принципов. К тому же Солк сам неоднократно заявлял, что не патентовал по моральным соображениям. Он, правда, не упомянул, что еще до его выступления по телевидению юристы-патентоведы уже изучили материалы его открытия и заключили, что оно патентованию не подлежит.
Итак, возвращаюсь к вопросу: чей приоритет в открытии лизоцима? Того самого русского ученого или Флеминга? Статья в российском популярном журнале, из которой я много лет назад узнал про историю с разбитым яйцом, призывала пересмотреть приоритет и отдать его тому русскому ученому. Судя по всему, не отдали. И отдать было бы, на мой взгляд, неправильно. Поскольку, повторяю, приоритет обычно принадлежит не тому, кто (возможно) первым открыл, а тому, кто убедил.
В связи с этим: естественно, сейчас есть масса соображений, гуляющих по разным изданиям, что Флеминг был вовсе не первым, что о чудодейственных свойствах заплесневевших продуктов питания было известно давно, что пенициллин открыли и до него, и так далее. Правда, критики почему-то умалчивают, почему не эти открытия привели к «чудо-лекарству», спасшему жизни миллионов людей.
Недавно я читал некую интернетовскую дискуссию по космологии, и один из участников, высказав свою гипотезу, заметил: «Жаль, что, когда моя идея получит подтверждение и признание, у нее наверняка будет другой автор». Я воздержался от интернетовских комментариев о том, что, мол, милый друг, а на что ты рассчитываешь? Хочешь признания – иди, публикуй свою идею, отстаивай ее, вливайся в информационные потоки, убеждай научный и прочий мир в своей гипотезе, доказывай ее справедливость, в том числе доказывай экспериментально, если это возможно… Это трудно, требует много времени и усилий и далеко не обречено на успех. Это – не общий треп в Интернете. Но если когда-нибудь признание получит тот, кто убедил, то не исключено, что наш интернетовский дискутант будет будоражить общественное мнение, заявляя, что приоритет должен быть его. Такое бывает нередко в разных конкретных проявлениях.
Так оказалось, что мои научные работы в некоторой части были связаны и с лизоцимом и с пенициллином. Эти работы описаны в двухтомнике «Ферментативный катализ»; первый том называется «Простые субстраты» (1980), а второй – «Полимерные субстраты» (1984). Фактически оба тома – это моя докторская диссертация, так сказать, переработанная и дополненная. Флеминг не знал, как лизоцим действует на клеточные стенки. Он знал, что лизоцим их растворяет, но не знал, как именно, в результате какой химической реакции. Клеточная стенка – это гигантская (по масштабам молекул) трехмерная макромолекула, защищающая содержимое бактериальной клетки от внешних воздействий. Насколько прочна эта структура, можно судить по тому, что она выдерживает внутриклеточное давление до 30 атмосфер. Лизоцим расщепляет определенное повторяющееся химическое звено, или повторяющуюся химическую связь клеточной стенки и после расщепления некоторого количества этих связей клеточная стенка распадается на отдельные фрагменты и растворяется в воде. Так вот, я разрабатывал (и, пожалуй, разработал) теорию скоростей этих реакций и то, как эти реакции можно изучать и описывать количественно. Ведь «концентрацию» бактериальной клеточной стенки, а точнее, этих самых химических связей так просто не определить, а если не определить, то как количественно описать реакцию и ее скорости? Оказалось, что бактерии можно «титровать» лизоцимом, примерно как кислоту можно титровать щелочью. Можно находить точку эквивалентности между их концентрациями, наблюдая за скоростями растворения клетки. И таким образом описывать бактериолитическое действие лизоцима в строгих рамках физической химии. Или ферментативной кинетики, кому что нравится. Вот это-то среди других теорий и описывал я во втором томе моей книги.
А часть первого тома посвящена превращениям пенициллина с помощью ферментов, точнее, одного фермента под названием пенициллинамидаза. «Превращениям» в том смысле, что этот фермент может как расщеплять пенициллин «пополам» – при этом терапевтическая активность пенициллина полностью пропадает, – так и синтезировать из полученных половинок новые пенициллины. Например, из пенициллина получают ампициллин и многие другие «полусинтетические» пенициллины. Сам-то пенициллин – относительно небольшая молекула, всего двадцать пять С – С-, С – S-, C – O-, С=O– и С – N-связей. Поэтому он и попал в том, где «простые субстраты».
В этой связи – проходное воспоминание. Заходит как-то в нашу лабораторию в корпусе «А» Ефим Арсеньевич Либерман, замечательная личность, физик и биолог, лауреат Государственной премии СССР. Просто проходил по коридору и по старой памяти заглянул ко мне. А я ломаю голову над синтезом нового пенициллина из обычного.
– Над чем работаешь? – это Либерман меня спрашивает. Я говорю, что вот, пытаюсь новое производное пенициллина смастерить, с помощью фермента.
– А что, – спрашивает, – в принципе-то МОЖНО получить? – Конечно, – говорю, – по термодинамике должно проходить, надо только условия подобрать, чтобы равновесие сместить в сторону получения.
– Ну тогда зачем время тратить? – это Либерман. – Если известно, что в принципе можно получить, то это уже не наука.
Точка зрения физика.
24. Иммобилизованные ферменты
Защита моей кандидатской диссертации в начале 1970-х годов примерно совпала по времени с началом новой эры в изучении и применении ферментов – эры иммобилизованных ферментов и инженерной энзимологии. Напомню, что ферменты – это катализаторы биологического происхождения, или биокатализаторы. Они, как и прочие катализаторы, ускоряют химические реакции. Но в отличие от традиционных химических катализаторов – металлов и их комплексов с органическими молекулами, – обычно получаемых искусственно, ферменты синтезируются живыми организмами – микробами, растениями, животными. И прочими насекомыми, червями, земноводными, морскими организмами и так далее.
Ферменты представляют собой, как правило, белковые образования, часто сопряженные с ионами металлов, а также сахарами и прочими органическими соединениями, которые иногда называют «коферменты». Ферменты по размеру больше молекулы, скажем, воды в тысячи и десятки тысяч раз. Если вода состоит из трех атомов, пенициллин, упоминаемый ранее, – из 41 атома, холестерин, опять же упоминаемый ранее, – из 68 атомов, то молекулы белков состоят из тысяч, десятков и иногда сотен тысяч атомов. Тем не менее белки можно выделить в индивидуальном виде и сотни их, если не тысячи, уже выделены. Можно спорить, в насколько чистом виде они выделены, и придираться к долям процента примесей, но это опять же детали.
А поскольку ферменты – это крупные органические молекулы, состоящие из сотен и тысяч химических групп – аминогрупп, карбоксильных, гидроксильных и прочих, – многие из которых торчат наружу, высовываясь в воду, в которой фермент растворен, то для химика не представляет особого труда достаточно прочно присоединить какую-либо из этих групп к стеклянным шарикам, гранулам пластмассы, кусочкам древесины и прочим твердым или мягким «носителям». Ведь стекло тоже содержит доступные химические группы – гидроксильные. И целлюлоза – тоже гидроксильные, но в другом окружении, нежели в стекле. А пластмассы вообще можно подобрать на любой химический вкус. Короче, ферменты можно присоединить к водонерастворимым носителям и тем самым их «иммобилизовать». То есть в переводе с английского термина – «обездвижить».
Такими иммобилизованными ферментами на гранулах носителя можно наполнить колонну-реактор, поставленную, например, вертикально, и пропускать через нее раствор субстрата, то есть вещества, в котором нужно провести необходимое химическое превращение. Такое измененное вещество называется, естественно, продуктом. Так вот, субстрат прокачивается через колонну, раствор продукта собирается на выходе колонны, а активный, работающий фермент продолжает оставаться в колонне. То есть мы превратили его из гомогенного катализатора в гетерогенный.
Осознание этой концепции вызвало революцию в использовании ферментов для технологических целей. Результатом явилось создание инженерной энзимологии, то есть широкомасштабного использования ферментов для промышленных целей. В середине 1980-х в Союзе вышел восьмитомник под названием «Биотехнология», а один из томов так и назывался – «Инженерная энзимология». Авторами его были те, чьи имена уже упоминались выше, в других главах и другом контексте. А именно И.В. Березин и его ученики, а также ученики его учеников. Эта книга была итогом десятилетней работы нашего коллектива, работы и осмысления.
Действительно, когда фермент имеется в нашем распоряжении в виде водорастворимого порошка, можно взять, например, раствор пенициллина и бросить туда щепотку фермента пенициллинамидазы. Я уже пояснял выше, что этот фермент химически расщепит каждую молекулу пенициллина пополам и образует так называемое «ядро пенициллина», которое нужно для синтеза новых производных пенициллина, например ампициллина. Или амоксициллина. Или оксациллина. Или диклоксациллина. Или многих других, их испытано несколько сотен, если не тысяч. Вторая половинка – это малоценная молекула, не стоящая того, чтобы о ней здесь говорить. Реакция-то осуществится, но щепотка фермента потеряется. Ее уже не вернуть. Точнее, вернуть можно, но затраты на это будут больше, чем стоимость полученного «ядра пенициллина». Экономика с отрицательным результатом. А если использовать иммобилизованный фермент, то его и выделять не надо. Он же остается в колонне, на гранулах носителя. Промыл его, слил воду – и все дела. Можно использовать опять.
Одним из первых практических применений иммобилизованных ферментов и было как раз применение иммобилизованной пенициллинамидазы для получения новых пенициллинов. Это была та самая работа, за которую наш коллектив получил Государственную премию СССР по науке и технике. Другое применение, которое было реализовано в Италии, – использование иммобилизованной лактазы для удаления молочного сахара (лактозы) из молока. Это была интересная разработка. Дело в том, что многие люди не могут пить молоко. Точнее, технически могут, но испытывают от этого серьезный дискомфорт. Их организм по причинам генетического характера не имеет фермента лактазы, который быстро расщепляет эту самую лактозу на два других сахара – глюкозу и галактозу. С ними организм легко справляется. А лактозу не любит, она вызывает аллергии, когда находится в организме длительное время. Так вот, если молоко обработать лактазой, то расщепление лактозы на те два сахара произойдет не в организме, а прямо в молоке. Получится в некотором роде диетическое молоко. Итальянцы и осуществили эту обработку молока в колонне непрерывного действия, содержащей иммобилизованную лактазу.
К началу 1980-х годов в мире работало уже восемь технологий с применением иммобилизованных ферментов. Помимо двух упомянутых здесь —
• гидролиз пенициллина для получения полусинтетических антибиотиков пенициллинового ряда,
• получение диетического безлактозного молока, еще —
• превращение глюкозы во фруктозу (медовый сахар) с помощью иммобилизованной глюкозоизомеразы,
• получение сахаров из молочной сыворотки с применением опять же иммобилизованной лактазы,
• разделение оптических изомеров аминокислот с помощью иммобилизованной аминоацилазы,
• получение оптически активной аспарагиновой кислоты с применением иммобилизованной аспартазы,
• получение оптически активной яблочной кислоты с помощью иммобилизованной фумаразы,
• превращение сахара в глюкозо-фруктозные сиропы с применением иммобилизованной инвертазы.
С чувством определенной профессиональной гордости должен отметить, что эти разработки не прошли мимо меня. Помимо работы в этой области и написания части книги «Инженерная энзимология», о которой упомянул выше, я написал книгу «Применение иммобилизованных ферментов в промышленности», которая была опубликована в Союзе и также издана ООН на английском языке в виде отдельной книжки в 1989 году.
К настоящему времени наиболее массовое применение иммобилизованные ферменты нашли в медицине, точнее, в аналитических применениях в медицине. Ферменты наносятся и прочно фиксируются на датчиках, электродах, на пластиковых стаканчиках, на мембранах и фильтрах, которые можно использовать либо многократно, либо однократно, но не загрязняя ферментом анализируемый раствор.
Теперь это устоявшаяся область применения ферментов. Но на это потребовалось почти тридцать лет – с начала 1970-х до конца 1990-х.
