Эра биотехники

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.