Карнавал молекул. Химия необычная и забавная

Вначале отметим, что Ф. Сенгер (установивший структуру инсулина) сумел определить также последовательность фрагментов в структуре знаменитой двойной спирали ДНК, за что и был удостоен второй Нобелевской премии. Эта работа позволила биохимикам перейти к следующему этапу – встраивать в генетический код ДНК заранее намеченные фрагменты. Основная идея состояла в том, чтобы в ДНК некоторых бактерий включать гены высших организмов. В результате бактерии приобретают способность синтезировать соединения, которые прежде могли синтезировать только высшие организмы. Подобную технологию называют «генной инженерией».

В 1981 г. канадский биохимик Майкл Смит (рис. 5.18) был приглашен в научные соучредители новой биотехнологической компании «Зимос». Один из первых контрактов фирмы был заключен с Датской фармацевтической компанией «Ново Нордиск», которая просила разработать технологию процесса производства человеческого инсулина в дрожжевой культуре. В результате совместных усилий способ был разработан, в 1982 г. инсулин, полученный по новой технологии, поступил в продажу. В 1993 г. за цикл работ в этой области М. Смит (совместно с К. Муллисом) удостоился Нобелевской премии. В настоящее время инсулин, получаемый методом генной инженерии, практически вытеснил инсулин животных.

Чьи работы важнее?

Итак, мы познакомились с четырьмя способами получения инсулина: из поджелудочной железы животных (группа Д. Маклеода), многоступенчатым синтезом (группа Г. Цана), автоматизированной сборкой (Р. Меррифилд), методом генной инженерии (М. Смит). Оставим в стороне медицинские проблемы, сосредоточим внимание на химии. У вас могло сложиться впечатление, что работы М. Смита сделали ненужными все предшествующие исследования. На самом деле это не так, все методы неразрывно связаны, ни один из этапов исследований нельзя выбросить. Инсулин, выделенный из поджелудочной железы животных, позволил Ф. Сенгеру определить его структуру, а без этого никакой последующий синтез невозможен. Группа Цана разработала химические приемы сборки цепей и способы промежуточной блокировки функциональных групп, которыми воспользовался Меррифилд при создании автоматической установки синтеза. Работы Смита, по существу, опирались на весь предшествующий опыт, накопленный при изучении инсулина. При синтезе некоторых короткоцепных гормонов автоматическая установка Меррифилда оказалась предпочтительнее генной инженерии. Обобщая, можно сказать, что все этапы, которые мы рассмотрели, – это естественный, традиционный и, если не бояться торжественных слов, величественный путь науки.

Зримые танцы молекул на металлическом паркете

Лауреатом Нобелевской премии 2007 г. по химии стал профессор Герхард Эртль (рис. 5.19), работающий в берлинском Институте Фрица Габера Общества Макса Планка. В формулировке Нобелевского комитета сказано, что премия присуждена за изучение химических процессов на твердых поверхностях. Звучит несколько туманно, однако некоторые, вероятно, обратят внимание на то, что даже в такой краткой формулировке содержится что-то непривычное, поскольку известно, что подавляющее большинство химических реакций протекает в газовой фазе или в растворе, но не в твердой фазе.

Тем не менее процессы, протекающие на твердых поверхностях, известны давно: прежде всего, это гетерогенный катализ, когда реагенты представляют собой жидкости или газы, а катализатор находится в твердой фазе. Напомним, что катализаторы – это вещества, которые добавляют в реакционную систему для ускорения химической реакции, при этом катализатор в состав продуктов реакции не входит. Большинство современных промышленных процессов, например переработка нефти, синтез полимеров и многие другие, основаны на использовании катализаторов.

Для объяснения того, как именно работают гетерогенные катализаторы, предлагали различные умозрительные теоретические схемы, которые удовлетворительно описывали протекающие превращения. Что же касается экспериментального изучения процессов, проходящих на поверхности катализатора, то до последнего времени оно шло с трудом, поскольку реакции, протекающие на твердых поверхностях, существенно отличаются от реакций в жидкостях или газах. Их изучение возможно только в особых условиях: например, в среде исключительно высокого вакуума, в специальных изолированных емкостях и с использованием особо чистых реактивов, что позволяет получить воспроизводимые результаты. Именно все это и удалось осуществить Г. Эртлю.

Успех Эртля был подготовлен стремительным развитием в 60-х гг. ХХ в. новых технологий, прежде всего в производстве микросхем. Чистота поверхности элементарного кремния, используемого для изготовления процессоров, играет решающую роль в его работоспособности. В результате были созданы новые технологические процессы получения сверхчистого кремния и разработаны чувствительные спектральные методы оценки чистоты.