Николай Всеволодов - Эра биотехники
Чем лучше фотоматериал, тем больше информации можно записать на одну микрофишу. Например архивный материал, копии редких книг, справочники и т. д.
Исследование и разработка фотохромных материалов ведется уже третье десятилетие, но идеального материала, который удовлетворил бы всех, пока не найдено. Фотохромный материал можно использовать и как оперативную память, и как элемент обработки оптической информации, и как материал для экранов больших "дисплеев, величиной с киноэкран, и для многих современных систем оптоэлектроники и оптических компьютеров будущего.
Еще во времена Александра Македонского были известны вещества, которые изменяли свой цвет в зависимости от яркости дня, и это помогало определять военачальникам начало военных действий. Таким веществом пропитывали платки или нарукавные повязки, и смена цвета являлась сигналом к началу атаки. Это был и первый простейший люксметр - измеритель яркости.
Красителями служили вещества органического происхождения, краситель выделялся из растений или животных. Окружающий нас мир ярок, но далеко не все краски фотохромны. Большинство из них на свету медленно разлагаются или, как говорят, выгорают. Большинство фотохромов после восстановления недосчитываются тысяч молекул, которые по разным причинам теряют фотохромные свойства. Фотохром считается неплохим, если выдерживает несколько десятков тысяч циклов записьстирание.
Что привлекает ученых в фотохромных материалах? Прежде всего их оптическая память. Она намного компактнее, чем магнитная, которая сегодня широко используется в ЭВМ и бытовой радиотехнике.
На сегодня разработано огромное количество типов фотохромов. Материал для их изготовления, как правило, синтезируют искусственным путем из органических, неорганических соединений, это могут быть стекла, кристаллы, сложные и простые красители, полимеры и полупроводники.
Есть фотохромы, у которых время памяти исчисляется годами, у других долями секунды, большинство фотохромов "чувствует" ультрафиолетовое излучение...
А вот о биологических фотоформах заговорили совсем недавно, хотя зависимость биореакций от света известна давно. Даже загар кожи - не что иное, как светозависимая биологическая реакция.
Бактерия изменяет направление своего движения в зависимости от интенсивности и спектрального состава света; в организме имеются белки или их комплексы, отвечающие за преобразование кванта света в такой вид энергии, который может усваиваться или запасаться организмом в процессе его роста и развития. Некоторые из этих белковых образований способны к фотохромии, впрочем, иногда это более простые молекулы, чем белки.
В синезеленых водорослях есть вещество, фикохром, который под светом изменяет зеленый цвет на красный, а в темноте становится зеленым. В других водорослях вещество флавопротеин из синего цвета переходит в желтый под светом, а в темноте возвращается в исходный. Родопсин и хлорофилл в искусственных условиях ведут себя как фотохромы. Есть даже патенты на биологические фотоматериалы, но практического применения они еще не нашли: нетехнологичны!
В 1973 году в одном из научных журналов появилась статья американского и немецкого ученых о том, что в бактериях, живущих в соленых озерах, обнаружен белковый комплекс, похожий на родопсин глаза животных. Эти бактерии - галофильные. "Галос" - соль, "фило" - люблю (племя, род, вид). Вид бактерий, любящих соль, живет в сверхсоленых озерах - в Кара-Богаз-Голе, в Мертвом море, в Великих соленых озерах США. Кто пролетал над Краснове деком, мог видеть синие, желтые, красные, вишневые, фиолетовые пятна озер. Цвет им придают галофильные бактерии. Если озеро фиолетовое, то в нем наверняка обитают бактерии с бактериальным родопсином или. как принято его сейчас называть, бактериородопсином.
Зачем галофилам бактериородопсин? Родопсин глаза (зрительный родопсин) преобразует свет в нервный импульс, хлорофилл листа растений обеспечивает фотосинтез зеленой массы, в фотосинтезирующих бактериях бактериохлорофилл обеспечивает рост и развитие бактерий за счет энергии солнца. В галофилах, имеющих бактериородопсин, происходит преобразование энергии света в энергию для жизни этой бактерии, накапливается АТФ - известный аккумулятор, хранитель и переносчик энергии живой клетки животного и растительного мира планеты Земля.
Галофилы уникальные бактерии. Вероятно, они относятся к архибактериям, то есть к старейшим на планете, и возникли, быть может, десятки миллионов лет назад. Вероятно, тогда было мало кислорода и много солнечного света? Однозначного ответа нет.
Бактерии эти палочкообразной формы, длиной 5-10 микрон. Часть оболочки занимают фиолетовые пятна - участки оболочки, содержащие молекулы бактериородопсина. Под электронным микроскопом видно, что молекулы расположены строго периодично, напоминая плоский кристалл.
Если этот участок оболочки выделить из бактерии, то у нас в руках окажется биологический фотохромный элемент в виде пленки толщиной пять тысячных микрона и площадью около одного микрона. Под воздействием света она из фиолетового превращается в желтую и остается ею, пока не выключат свет. В темноте за одну сотую секунды возвращается в свое исходное состояние, становится фиолетовой. Переходы могут повторяться неограниченное количество раз, цикличность такого природного биохрома необычайно высока.
В 1978 году в одном из институтов Биологического центра Академии наук СССР, что расположен в подмосковном городе Пущино, из таких микропленок сделали фотохромную пленку нормального размера. Результаты испытаний удивили специалистов-фототехнологов, которые привыкли видеть в белке нечто неустойчивое, разваливающееся (денатурирующее) при малейшем повышении температуры, требующем специальных условий хранения. Считалось, что биологический фотохром - экзотика. Думали, что он работать в приборах и аппаратах не сможет.
Биохромные пленки оказались необычайно устойчивыми, выдерживают кипяток, жесткое излучение, действие кислот, мощное лазерное излучение и т. д. Кристаллическая упаковка белковых молекул бактериородопсина не позволяет им разрушаться при самых жестких внешних воздействиях. Это и отличает бактериородопсин от зрительного родопсина, который не кристаллизован и легко распадается на составные части даже под слабым светом.
Выращивают галофилы в специальных культиваторах-люмостатах.
Каждые четыре дня собирают "урожай" в виде биомассы из миллиардов бактерий. Их помещают в обычную воду, и каждая бактерия взрывается в прямом смысле этого слова, ее разрывает избыток соли. Это называется осмотическим шоком. Все органеялы бактерии и ее оболочка распадаются на мельчайшие фрагменты, а участки с бактериородопсином остаются невредимыми. Они тяжелее "мелочи", на которую распалась бактерия, в центрифуге они оседают на дно. Так получают суспензию этих фрагментов биохромных микропленок. Их смешивают с раствором полимера или желатины (она применяется для изготовления обычных фотопленок) и наносят в виде тонкого слоя на стеклянные пластины или на прозрачную ленту. Сегодня это редкий, если не единственный случай, когда автором и производителем фотоматериала является природа.
Использование бактерий для производства необходимых нам белков - это биотехнология. Недавно возникло новое направление - биоэлектроника. И, конечно, появятся новые направления науки и техники, названия которых будут начинаться с приставки "био": биочипы, биокомпьютеры, биосенсоры, биомикроустройства и биомакроустройства. Эта биотехника объединяет физику, химию, электронику с биологией.
Биотехнология - огромная отрасль науки с множеством направлении.
Поиск новых фоточувствительных белков продолжается. В той же галофильной бактерии обнаружено еще два белка. Один отвечает за фототаксис, управляет движением бактерии. Под воздействием солнца она опускается на глубину, при отсутствии света поднимается к поверхности.
Другой белок за счет света "перетаскивает" ионы хлора через оболочку бактерии и таким образом поддерживает одинаковые концентрации соли снаружи и изнутри бактерии. Если баланс концентраций нарушится, то бактерию разорвет, то есть произойдет осмотрительный шок.
В известной по школьным учебникам инфузории-туфельке обнаружен... зрительный родопсин! Удивительный этот факт показывает, как мало мы еще знаем. Зачем инфузории зрительный родопсин? Неизвестно.
Родопсинов в природе много. В глазах рыб, насекомых, птиц; родопсины отличаются типами белков, цветом, механизмом преобразования света.
Бактериородопсиновую молекулу можно "разобрать" на две части: белковую часть и ретиналь (витамин А). Вместо ретиналя можно синтезировать его аналог и снова "собрать" молекулярный комплекс. Мы получим аналог бактериородопсина, цвет которого будет зависеть от типа аналога.
