Анатолий Клёсов - Интернет: Заметки научного сотрудника

Загадку мы разгадали. Не зря нас физической химии учили и заложили основы «физико-химического мышления». Этот якобы «фактор» действительно оказался свойством целлюлаз, определяющим их специфичность, а именно способностью ферментов адсорбироваться на целлюлозе. Для гидролиза аморфной целлюлозы способность целлюлаз на ней адсорбироваться оказалась особенно не нужна: материал легкий, связи между глюкозными группами доступны, соударение фермента с целлюлозой обычно ведет к расщеплению очередной глюкозной связи. Другое дело с целлюлозой кристаллической.

Цепи там так плотно упакованы, что фермент при простом соударении между ними не пролезает. Вода и то не пролезает, а уж крупный белок и подавно. Целлюлаза должна прочно адсорбироваться на поверхности кристаллической целлюлозы и использовать энергию адсорбции для понижения энергетического барьера реакции ферментативного гидролиза. Это если по-научному.

А если по-простому – у «плохой» целлюлазы, которая плохо адсорбируется, «зубы соскальзывают», кристалл не «укусить». Только со-ударилась – тут же отскочила. Не успевает целлюлозу атаковать, на это ей время нужно. А у «хорошей» целлюлазы, которая прочно на поверхности кристалла зацепилась, есть возможность «укусить» посильнее. Она не отскакивает, а латерально дрейфует по поверхности кристаллической целлюлозы, атакуя ее опять и опять. И щеплет связь за связью, производя глюкозу. Реакция ускоряется в миллионы раз. Поэтому и реактор мы сделали на основании свойства целлюлаз адсорбироваться и гидролизовать целлюлозу в адсорбированном состоянии. До нас про адсорбцию целлюлаз речи вообще не было.

Кстати, про наши работы в этой области и про новый реактор была большая статья в «Правде» в ноябре 1983 года. Под довольно глупым названием «Сладкий лес». Но это уже на совести тех, кто статью писал и публиковал.

Поскольку тема биотехнологии целлюлозы была и остается важной, я много ездил с докладами об этом, благо к тому времени мой невыездной статус закончился. Рулить страной начал М.С. Горбачев, и ситуация с выездами стала потихоньку меняться. Лекции по целлюлазам и технологии превращения целлюлозы в сахара я читал на Кубе, и не только читал, но и изучал там целлюлазы океанских моллюсков, о чем расскажу отдельно, а также в Индии, во Вьетнаме (они тогда хотели получать сахара из эвкалиптов с помощью целлюлаз), во Франции, Италии, Финляндии, Швеции, Канаде, в Университете Беркли в США, Принстонском и Корнельском университетах, Университете Ватерлоо в Канаде, в Окриджском научном центре в Теннесси и во всех, наверное, соцстранах Восточной Европы. Помимо этого, отдел промышленного развития ООН заказал мне книгу на эту тему, которую они и опубликовали в 1984 году. За что неплохо заплатили, по тем временам для Союза деньги были вообще фантастические.

Всего по целлюлазам я опубликовал более сотни статей, из них много по адсорбции ферментов, раскручивая это явление и его каталитические следствия шаг за шагом. Собственно, на упомянутых лекциях по целюлазам я обкатывал теорию, чему очень помогали вопросы из аудитории и дискуссии. Особенно со специалистами по целлюлазам и в компаниях «Форинтек» (Канада) и «Джененкор» (Сан-Франциско), где велись и продолжают вестись коммерческие разработки на эту тему.

Точку в этом вопросе поставила моя итоговая статья в ведущем международном научном журнале «Biochemistry» в 1990 году. В этой статье на многих примерах показано, как с ростом адсорбционной способности целлюлаз последовательно растет их способность всё быстрее и быстрее разрушать кристаллическую целлюлозу. И там я объявил, что вопрос с «фактором» можно успешно и бесповоротно закрывать. Редакция поместила эту статью первой в выпуске, под шапкой «Перспективы биохимии». Статья собрала несколько сотен цитирований в публикациях на эту тему. Это, пожалуй, моя наиболее цитируемая в научной печати статья из почти трехсот опубликованных. И наверное, наиболее мне дорогая. Больше по этой теме я статей не публиковал. Для меня вопрос был исчерпан. Но еще немало лет, уже будучи в США и работая совсем по другой тематике, я продолжал получать приглашения читать лекции на тему механизма действия целлюлаз в самых разных университетах и компаниях США и Канады. И не только там, но и, например, во Всемирном банке (The World Bank) в Вашингтоне, и в парламенте Канады (House of Commons) в Оттаве. Я каждый раз ехал и выступал. Тема уж очень интересная. А в Гарвардском университете мне специально предоставили возможность – уже в середине 1990-х годов – написать шеститомник по инженерной энзимологии, в котором особое внимание уделить целлюлазам и биотехнологии целлюлозы.

Про выступление в канадском парламенте, пожалуй, расскажу отдельно. История того стоит, наверное.

Много лет назад, в 1930-х, в США был разработан особый подход к повышению питательной ценности целлюлозы как корма. Солома как еда не подарок даже животным, хотя жвачные имеют целую хорошо организованную систему желудков, в которых целлюлоза атакуется симбиотическими целлюлолитическими микроорганизмами. Симбиотическими, потому что имеет место симбиоз между этими микробами и самими жвачными животными, обоюдополезный, как и подобает симбиозу. У человека целлюлаз в организме вообще нет, поэтому целлюлозу он переваривать не может в принципе. К чему это я? А к тому, что целлюлоза в природных растительных материалах является довольно труднодоступной для ферментов-целлюлаз, для микроорганизмов, для жвачных животных. Камень преткновения в биотехнологии целлюлозы – это увеличение доступности целлюлозы для ферментов. Природа эволюционно постаралась, чтобы упрятать целлюлозные волокна поглубже от разрушительных микробов и их целлюлаз. В свою очередь те же микробы эволюционно совершенствовали себя и свои целлюлазы, а также другие сходные ферменты, чтобы выиграть в этой борьбе и прокормить себя глюкозой из целлюлозы. Вот такая борьба миров.

В итоге у большинства растений целлюлозные волокна, собранные в длинные жгуты, окружены и переплетены сложными полисахаридами – гемицеллюлозами, основным из которых является ксилан. Ксилан построен по типу целлюлозы, но состоит не из глюкозы, а из другого сахара – ксилозы. Он не кристаллический, а аморфный. Наконец, все это переплетение залито лигнином – твердой полифенольной смолой. И вот все это животным приходится есть, «выковыривая» питательную для них целлюлозу и пропуская лигнин через себя и выводя наружу. Лингин – легкогорючее вещество, поэтому, кстати, кизяк хорошо горит. А кизяк, кто не знает, – это высушенная смесь лигнина с остатками непереваренной целлюлозы.