Рассказы о биоэнергетике - Владимир Скулачев

Итак, должен быть какой-то из белков, участвующий в усвоении энергии света, то есть в фотосинтезе.

Как раз в это время У. Стокениус и Д. Остерхельтв США описали новый тип светочувствительных белков бактериородопсин. Как выяснилось, у солелюбивых бактерий есть фиолетового цвета белок, содержащий, подобно зрительному пурпуру глаза — родопсину, — производное витамина А — ретиналь. Было получено косвенное указание на то, что бактериородопсин может переносить через мембрану водородные ионы за счет энергии света, заменяя содержащие хлорофилл белки обычных организмов-фотосинтетиков.

В конце 1973 года академик Ю. Овчинников организовал проект «Родопсин» для сравнительного исследования животного и бактериального пигментов. Мы занялись изучением бактериородопсина, используя препарат, полученный в Институте биофизики Л. Чекулаевой, тогда сотрудницей лаборатории Л. Каюшина. Были приготовлены протеолипосомы с бактериородопсином в качестве белка. Затем методом проникающих ионов была доказана способность бактериодопсина превращать свет в разность электрических потенциалов.

Я хорошо помню эти опыты. Особенно удачно они шли по воскресеньям, когда в опустевшей лаборатории никто не ходил мимо прибора и тончайшая фосфолипидная мембрана, измеряющая концентрацию ФКБ-, стояла, не лопаясь, в течение нескольких часов кряду. Я включал и выключал свет, наслаждаясь стабильностью и воспроизводимостью обнаруженного явления. Бактериородопсин работал как часы: протеолипсомы безотказно поглощали анионы (ФКБ-) в ответ на свет и отдавали их в среду в ответ на «тьму». Приходя после опыта домой, я развешивал ленты самописца по стенам, чтобы полюбоваться ими на сон грядущий.

Бактериородопсин оказался действительно на редкость стабильным генератором протонного потенциала. Эту его способность не могло убить нагревание до 100 градусов, помещение в 0,1 N кислоту и, как мы выяснили вместе с сотрудниками Овчинникова, даже расщепление белка в трех местах протеолитическим ферментом. Поэтому неудивительно, что было решено попытать счастья с прямым измерением разности потенциалов, используя именно бактериородопсин. План был прост: добавить бактериородопсин к смеси для приготовления черной мембраны и посмотреть, не приведет ли освещение такой мембраны к генерации тока.

Никогда не прощу своим товарищам, что они не позвали меня к прибору, когда впервые осветили мембрану с бактериородопсином. Осторожный Драчев, улыбаясь и пощипывая бородку, сообщил мне о генерации фототока лишь на следующий день.

Так в прямом опыте была доказана способность индивидуального белка превращать энергию света в электричество.

Суп из топора

Справедливости ради надо сказать, что разность потенциалов, генерируемая на свету, в первом опыте Л. Драчева не превышала 20 милливольт. Это примерно в 12 раз меньше величины, необходимой для энергообеспечения процесса фосфорилирования. Причиной, вызвавшей резкое занижение фотопотенциала, был двоякий характер ориентации бактериородопсина в черной мембране: часть молекул белка генерировала ток одного направления, а другая часть - противоположного. Это и неудивительно, ведь черная мембрана симметрична, и в идеале фотопотенциал не должен был образовываться вовсе. Если все же его удалось обнаружить, то лишь из-за небольшого случайного превышения количества белка, встроившегося, скажем, с левой стороны мембраны, над белком с правой ее стороны.

Как же упорядочить ориентацию бактериородопсина в искусственной мембране? Первоначально мы не знали даже, с какого конца подступиться к проблеме. Но нам повезло: решение вскоре было найдено совершенно случайно.

Как-то наш молодой сотрудник А. Семенов ставил опыт с протеолипосомами, поглощавшими на свету проникающие анионы ФКБ-. Варьируя состав раствора с протеолипосомами, он добавил в смесь сульфат магния. Никаких изменений добавка не вызвала, и Семенов совсем было собрался прекратить эксперимент, но в этот момент в лабораторию зашел кто-то из его знакомых.

За приятной беседой сотрудник забыл о своем намерении сменить не оправдавшую его ожиданий пробу и вновь включил свет. К своему удивлению, он обнаружил, что теперь свет вызывает заметно больший эффект, чем десять минут назад. Семенов включил свет еще раз и, убедившись, что явление не исчезло, отправился на поиски шефа, чтобы похвалиться своим маленьким открытием. На эти поиски ушло еще четверть часа.

— Смотрите, как вырос фотоэффект, — сказал он и вновь включил свет.

Перо самописца резко метнулось к краю измерительной шкалы и, пока мы обалдело следили за поистине циклопическим фотоэффектом, застряло в краевой перфорации ленты и начало рвать бумагу в напрасных попытках продвинуться дальше. Я быстро освободил перо из плена, а Семенов переключил шкалу вольтметра с 10 на 100 милливольт.

На сей раз фотоэффект удалось записать. Это был огромный потенциал, который рос на глазах. Так продолжалось еще около часа, после чего лопнула черная мембрана, использовавшаяся в этом опыте для измерения концентрации анионов ФКБ-. Мы поставили новую мембрану и на всякий случай еще раз загрубили шкалу, полагая, что за время установки мембраны эффект еще более возрос.

Включили свет - перо вздрогнуло и отползло, словно нехотя, на два миллиметра в сторону. Повторное освещение дало тот же жалкий результат. Немедленно у прибора был созван консилиум лучших умов лаборатории, находившихся в пределах досягаемости. Пока судили да рядили, как объяснить только что наблюдавшийся и внезапно утраченный гигантский фотоэффект, прошло какое-то время, и Семенов для очистки совести еще разок осветил ячейку с протеолипосомами.

- Смотрите! Он вернулся! - услышали мы у себя за спиной торжествующий возглас.

И правда, эффект-богатырь возник вновь. Налицо было какое-то медленно развивающееся явление, исчезавшее всякий раз, когда мы заменяли одну измерительную мембрану другой. Стало быть, измерительная мембрана, а вовсе не протеолипосомы, подвергалась действию сульфата магния.

Чтобы убедиться в правоте этой, казалось бы, очевидной посылки (если не протеолипосомы, значит, измерительная мембрана, ведь больше ничего в нашей системе просто нет), мы добавили сульфат магния в омывающий искусственную мембрану раствор, не содержащий протеолипосом. Спустя час в тот же раствор внесли протеолипосомы и измерили фотоэффект. Если дело в мембране, то свет должен бы вызвать образование большой разности потенциалов.

Не тут-то было! Перед нами вновь был эффект-пигмей! Однако со временем он увеличился и через час-полтора достиг огромных размеров.

Что же это получается? В системе всего два компонента: протеолипосомы и искусственная мембрана, и оба они, отдельно взятые, устойчивы к действию сульфата магния. Тем не менее сульфат магния действует, да так мощно! А может быть, секрет его магического влияния надо искать в каком-то эффекте, требующем одновременного присутствия и протеолипосом и мембраны?

В дальнейшем оказалось, что сульфат магния можно заменить хлористым магнием, но не хлористым калием. Это указывало, что действующее начало — ион магния.

Известно, что двухвалентные катионы магния и кальция нейтрализуют отрицательные заряды на поверхности фосфолипидных мембран, образуя прочные комплексы с анионами фосфатных групп фосфолипида. Именно эти отрицательные заряды предотвращают слипание фосфолипидных пузырьков друг с другом. Быть может, в нашей системе магний вызывал слипание протеолипосом друг с другом?

Но для чего в таком случае искусственная мембрана? Нет, это не объяснение.

А вдруг протеолипосомы склеиваются с искусственной мембраной, ведь она тоже состоит из фосфолипидов? Тогда возникающий со временем высокий фотопотенциал мог бы в принципе иметь ту же природу, что в опытах Л. Драчева: бактериородопсин протеолипосом, приклеившихся к искусственной мембране, генерирует на свету разность потенциалов, которая регистрируется нашим вольтметром. В результате мембрана, предназначенная для регистрации количества анионов ФКБ-, измеряет вовсе не этот параметр, а непосредственно работу бактериородопсина как электрического генератора.

Проверить такое предположение не составило большого труда. Мы просто повторили опыт, но без анионов ФКБ-. Это был, так сказать, суп из топора: система для измерения проникающих анионов содержала все компоненты, необходимые, чтобы произвести такое измерение, за исключением самих анионов. И что же: со временем развился мощный фотоэффект. Его величина оказалась гораздо большей, чем в первых опытах Л. Драчева, когда мембрану образовывали из смеси бактериородопсина и фосфолипидов.

Последующее разбирательство показало, что в системе «протеолипосомы — искусственная мембрана» бактериородопсин всегда ориентирован таким образом, что он транспортирует протоны из омывающего раствора внутрь приклеенных к мембране протеолипосом. Так мы получили систему, где из двух противоположно включенных биологических фотобатарей осталась одна.