Глава
3
Вода, вода, везде вода
В конце 1980-х гг. Питер Агре случайно сделал открытие, которое изменило наше восприятие воды. Получив должность врача-исследователя в гематологическом отделении университетского Медицинского центра имени Джона Хопкинса в Балтиморе, Агре хотел заняться белком, вызывающим гемолитическую анемию (резус-конфликт) – расстройство, которое может нанести ужасающий вред развитию плода. Красные кровяные тельца (эритроциты) имеют на своей поверхности антиген Rh, и, когда у матери его нет, а у плода есть, ее иммунная система атакует эритроциты плода. Эта иммунная атака может убить красные кровяные клетки плода, лишив его кислорода и вызвав ряд проблем, а иногда даже смерть. Хотя в защите младенцев от резус-конфликта был достигнут огромный прогресс, на тот момент еще никто не определил белок Rh и не пришел к заключению о его функционировании.
Агре решил изучить это. Он следовал классической стратегии, выделив из мембран красных кровяных телец достаточно белка Rh, чтобы определить его раз и навсегда. Взяв большой объем эритроцитов, он отделил только клеточные мембраны. Затем ученый тщательно разработал последовательность действий, чтобы изолировать белок Rh от других белков, имеющихся в мембранах красных кровяных телец. Но, перейдя к последнему этапу, к своему смятению и испугу, Агре обнаружил посторонний элемент – нежелательного “гостя”, который незамеченным прокрался вместе с белком Rh через тщательно разработанные ученым этапы очистки. Неважно, насколько осторожно действовал Агре, каждый раз, когда он проводил эксперимент, этот посторонний элемент был тут как тут.
Это просто сводило с ума. Всем ученым, занимающимся лабораторными исследованиями, знакомо подобное чувство. Вы принимаете все предосторожности, вы проверяете и перепроверяете, а затем ваш тонко очищенный образец оказывается… Ну, не таким уж чистым. Вначале вы не верите результатам. Затем подозреваете, что проблема в технологии. Потом ощущаете мерзкое до тошноты поражение. Тем не менее в конце концов вы начинаете прорабатывать длинный список возможных объяснений. Именно этим занялись Агре и его коллеги. Первоначально он надеялся на самый наилучший расклад – на то, что посторонний белок окажется фрагментом белка Rh. Но дальнейший анализ показал, к его разочарованию, что нежелательный элемент не был фрагментом белка Rh, но являлся неким ранее неизвестным белком. Агре понятия не имел, что он из себя представляет и какую функцию выполняет. И конечно, он не мог и предполагать, что, пытаясь изолировать посторонний элемент, в конце концов станет лауреатом Нобелевской премии 2003 г. по химии и откроет революционные возможности очистки всех запасов пресной воды в мире.
■ ■ ■
Мы не можем жить без воды. Содержание воды в организме составляет более 50 %, и мы используем имеющиеся на планете запасы для питья, сельского хозяйства, транспорта, производства т. д. Вода есть везде – около 1364 миллиардов миллиардов (1364 × 1018) литров покрывают примерно 70 % поверхности Земли. Но почти весь этот объем – примерно 95 % – соленая вода океанов, которую мы не можем ни пить, ни использовать для полива или каких-либо еще наших нужд.
Для того чтобы жить, нам нужна пресная вода, но она составляет менее 5 % от общего объема воды на Земле. И бóльшая часть ее находится в ледниковых пластах, почве и атмосфере. Для использования доступен только 1 % запасов пресной воды на планете, и этого уже недостаточно, чтобы жизнь оставалась такой, к какой мы привыкли. Более 1 млрд человек сегодня нуждаются в питьевой воде, а засуха поражает как развивающиеся, так и развитые страны. Нам нужно больше пресной воды; самые очевидные способы ее получения – это опреснение и очищение загрязненной соленой воды, которая существует вокруг нас в огромных количествах.
Очищение воды уже очень давно стало необходимым для выживания человечества. Еще в древнеегипетских рисунках, датируемых 1500 г. до н. э., отражена очистка воды с помощью фильтрации, а Аристотель описал процесс дистилляции. Хотя с тех пор мы достигли больших успехов в этом деле, человечество по-прежнему в основном полагается на эти две основные технологии. И даже спустя 4000 лет усовершенствований очистка воды с помощью дистилляции и фильтрации остается слишком медленной, слишком дорогой и слишком неэффективной с точки зрения энергозатрат, чтобы соответствовать нашим всевозрастающим требованиям. Нам нужны совершенно новые подходы к очищению воды. И открытие, сделанное Питером Агре в 1992 г., обеспечило абсолютно новую, очень соблазнительную возможность, пусть даже автор и не подозревал о ней в то время. Как оказалось, ответ на все наши проблемы с водой может лежать внутри наших тел, в таинственном белке, обнаруженном Агре.
■ ■ ■
В 1988 г. Агре опубликовал статью, где сообщалось о новом белке красных кровяных телец. В ней автор признался, что роль белка остается “неопределенной”, – достаточно унизительное заявление для любого ученого. Агре был озадачен тем, что может делать таинственный белок, но нисколько не продвинулся в решении этой загадки, пока они с семьей не отправились в путешествие в 1991 г.
Агре и его родные обожали выезды на природу и часто проводили каникулы с палатками в национальных парках. В тот год, когда они с женой спросили детей, в какой парк они хотят отправиться, те мгновенно и единодушно дали ответ – Диснейуорлд! Поэтому в тот год семья отправилась во Флориду. Вместо того чтобы потакать желаниям своих детей, Агре и его жена, как и все хорошие родители, сделали по-другому: они решили остановиться в национальном парке Эверглейд. Все же мнение детей они приняли к сведению и долгий обратный путь разнообразили остановкой в Диснейуорлде, встав лагерем в парке Йеллоустон. После этого, уже на пути в Балтимор, семья заехала в Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл, чтобы встретиться со старым другом и наставником Агре доктором Джоном Паркером. Это решение оказалось судьбоносным.
Паркер, клинический врач, гематолог и онколог, был наставником Агре во время клинической подготовки. Как часто случается, Джон Паркер по-прежнему давал советы Питеру. Именно он порекомендовал молодому исследователю заняться изучением мембран красных кровяных телец. Во время своего визита к Паркеру после Диснейуорлда Агре продолжал думать над лабораторной загадкой и поделился с наставником своими сомнительными результатами. Он рассказал, как таинственный белок незаметно преследовал белок Rh во время тщательно проработанных, требующих большого количества времени процедур очистки и как он в больших количествах был обнаружен в почках, где нет белка Rh. Как Агре ни старался, он не мог понять, что это за загадочный белок. Паркеру не потребовалось много времени, чтобы найти решение. Поняв, что и клетки почек, и красные кровяные тельца пропускают через свои мембраны много воды, Джон Паркер пришел к выводу, что Агре мог открыть водный канал, который долгое время являлся предметом поиска, но все время ускользал от исследователей. Таинственный белок Агре мог дать ответ на вопрос, который долгое время занимал умы ученых: как вода проходит через клеточные мембраны?
Ученые давно осознали важность этого вопроса. Каждая из примерно 37,2 трлн клеток, составляющих наши тела, тщательно отслеживает и регулирует, сколько воды проходит через ее мембраны. Некоторые исследователи в теории предполагали, что должен существовать уникальный канальный белок, но, несмотря на огромные усилия, проводящий воду белок не был обнаружен. У гематологов был особый интерес к тому, как достигается нужный водный баланс внутри клетки и вне ее, потому что красные кровяные тельца нужны для того, чтобы поддерживать правильное количество воды внутри организма, чтобы выполнять свою работу по переносу кислорода от легких к другим тканям тела, а затем возвращать в легкие углекислый газ. Только наполнившись водой, эритроциты могут нести свой жизненно важный груз. Поэтому если такие канальные белки, пропускающие воду, и существуют, то можно ожидать, что в красных кровяных тельцах они будут обнаружены в изобилии.
Понимая важность регулирования воды в организме для жизнеспособности клеток, многие ученые пытались обнаружить канальные белки. В процессе осмоса вода пассивно протекает в клетку и вытекает из нее, причем направление потока определяется концентрацией того, что растворено в воде с каждой стороны клеточной мембраны. Осмос уравновешивает концентрацию растворов по обе стороны мембраны или фильтра. Проще говоря, если водопроницаемый фильтр разделяет чистую и соленую воду, то чистая вода будет течь через фильтр, пока не разбавит соленую до такой степени, чтобы концентрация раствора по обе стороны фильтра была одинаковой.
Но как вода проходит через клеточную мембрану? Когда Агре и Паркер встречались в 1991 г., большинство ученых считали, что воде не нужны специальные поры или каналы, чтобы попадать внутрь клеток и вытекать из них. Общепринятой была модель, гласящая, что вода естественным образом проходит через клеточные мембраны так, как она протекает через фильтры.
Несмотря на эту общепринятую модель транспорта воды, неканоническая идея Паркера о том, что существует таинственный белок, проводящий воду, заинтриговала Агре. Но он задался вопросом, стоит ли игра свеч. Сможет ли он действительно опровергнуть признанную научную модель, изучив белок, в существование которого большинство людей не верит? Он знал, что все усилия могли оказаться напрасной затеей, как это было со многими учеными, которые бесплодно искали водные каналы. И это занятие, несомненно, отвлекло бы Агре от его исследований белка Rh. Мудрым решением было бы отказаться от этой идеи. Но Питер решил продолжить свою сумасбродную затею.
Поиски таинственного белка требовали, чтобы Агре изменил направление работы своей лаборатории. Чтобы доказать, что этот белок действительно является водным каналом, он решил проверить его функцию в клетках различного типа, тех, которые обычно не пропускают воду через свою мембрану. Агре и его коллеги определили последовательность ДНК, кодирующую таинственный белок, и скопировали ее в РНК. РНК, помещенная в другую клетку, заставила бы ее производить таинственный белок. Агре планировал получить этот белок из тестовой клетки, чтобы определить, будет ли он, как предполагал Паркер, создавать водные каналы и транспортировать воду через клеточные мембраны.
Для проверки идеи Паркера Агре использовал икру лягушек. Почему именно ее? Потому что знал, что икра, погруженная в пресноводный пруд, остается круглой и наполненной всеми веществами, необходимыми для питания развивающегося головастика, в течение многих дней. Даже при очень высокой концентрации солей и белков лягушачья икра казалась непроницаемой для воды, что позволяло предположить: окружающая ее мягкая мембрана не имеет механизма для транспортировки воды внутрь и вовне.
Агре разработал незамысловатый тест. Во-первых, он поместил РНК таинственного белка в часть лягушачьей икры, а в другую, контрольную группу впрыснул воду. Ученый рассудил, что введенная в икринки РНК должна заставить их производить таинственный белок. После нескольких дней, проведенных в физиологическом растворе, обе группы выглядели одинаково. Но тут пришло время самого теста: Агре погрузил их в чистую воду. Контрольная группа вела себя как обычная лягушачья икра – с ней ничего не произошло. Но икринки с таинственным белком, как с восторгом рассказывал мне Питер, “взорвались, как попкорн”.
В чем же была разница? Агре смог прийти только к одному выводу: РНК таинственного белка создала белок водных каналов, который пронизал мембраны икринок. Когда содержание соли внутри икринок и вне их находилось в равновесии, обе группы икры выглядели одинаково. Но когда их поместили в чистую воду, водные каналы в икринках, куда была впрыснута РНК, пропустили воду в клетки, доведя их до точки взрыва.
Доказательство! С помощью счастливого случая и великолепной “розыскной деятельности” Агре нашел тот самый неуловимый водный канал. Он назвал его “аквапорин”. Вскоре стало ясно, что ученый открыл только первый белок из, как нам известно сегодня, целого семейства аквапоринов, которые обнаружили буквально во всех организмах на Земле: в животных и растениях, в бактериях и грибах.
■ ■ ■
Благодаря великолепному биологическому исследованию Агре водные каналы оказались в руках не только ученых, но и инженеров, и предпринимателей, некоторые из которых теперь надеются применить аквапорины для масштабной очистки воды. Чтобы понять, как водные каналы работают в клетке и как их можно приспособить для очищения воды, нам нужно разобраться, что такое белки и как они действуют.
Мне нравится представлять себе белки как маленькие механизмы, каждый из которых разработан для того, чтобы выполнять конкретную работу в клетке или ткани. Механистическая аналогия может помочь нам понять, что они делают. Функция аквапоринов немного напоминает работу ворот на парковке автомашин, которые пропускают только те автомобили, которые оборудованы особым знаком. Структура канала аквапорина – своеобразные “ворота” – распознает атомные характеристики воды и позволяет входить в клетку и выходить из нее только молекулам с определенными характеристиками. Она блокирует соли, кислоты и другие молекулы.
Тем не менее в отличие от “ворот” компоненты “белковой машины” не сделаны из металла и пластика. Белки – это скорее нити с бусинами, соединенными в очень строгом порядке.
Бусины на этих нитях белка – аминокислоты, они представлены в 20 разновидностях. Нити аминокислот свиваются в четко упорядоченные структуры, которые формируют части белкового механизма. Две важные характерные черты определяют особую структуру и функцию каждого белка. Во-первых, бусины аминокислот каждого белка расположены в уникальном порядке. Разновидностей аминокислот может быть только 20, но если вы представите, что белок содержит более сотни аминокислот, то комбинаций их может быть великое множество. Во-вторых, одни аминокислоты притягиваются, а другие отталкиваются. Эти силы притяжения и отталкивания являются причиной того, что каждая нить аминокислот завивается в особую форму; именно эта форма позволяет белку выполнять свои функции.
Белки состоят из последовательности аминокислот, напоминающих бусины, нанизанные на нить. Порядок аминокислот определен порядком оснований нуклеиновых кислот в ДНК (или РНК). Химические свойства каждой из 20 стандартных аминокислот определяют структуру белка посредством притяжения и отталкивания с другими аминокислотами в белковой нити. Эти силы могут заставить части белка завиваться по спирали (в середине белковой нити), складываться в широкую полосу (внизу нити) или принимать другие формы
Функции белков могут быть самыми разными. Одна семья белков обеспечивает каналы для проникновения различных веществ сквозь клеточные мембраны. Эти проводники или каналы чрезвычайно избирательны, пропускают в клетку или из клетки только одну молекулу или их ограниченный набор. Некоторые каналы проводят свой груз в одну сторону, что позволяет молекулам двигаться в одном направлении – в клетку или из нее. Другие “ворота” являются двусторонними, пропуская груз в обоих направлениях. Некоторые каналы пропускают натрий, другие – хлор, а некоторые – как это продемонстрировал Агре своим открытием аквапоринов – воду.
Доказав, что его таинственный белок функционирует как водный канал, ученый приступил к исследованию мира аквапоринов. Определив всю последовательность аминокислот в белковой нити аквапорина, он выяснил, что нить закручивается и завивается в форме, которая напоминает песочные часы с очень узким горлышком. Высота этих “песочных часов” определяется толщиной клеточной мембраны, а их центральная часть служит чрезвычайно избирательным каналом, который может пропускать воду в обоих направлениях (как внутрь клетки, так и наружу).
Четкие изгибы нити аминокислоты располагают отдельные кислоты на определенных позициях. Каждая аминокислота имеет свои собственные свойства: некоторые заряжены положительно, а другие – отрицательно; одни отталкивают воду, а другие притягивают; есть те, которые отталкивают жирные вещества, такие как липиды, формирующие биологические мембраны, а есть те, которые их притягивают. Агре и его коллеги доказали, что аминокислоты в нити аквапорина размещены так, что аминокислоты, притягивающие липиды, формируют внешнюю поверхность “песочных часов” (и взаимодействуют с липидной клеточной мембраной), а аминокислоты, притягивающие воду, находятся на внутренней поверхности.
Но что именно в аквапорине позволяет воде проникать в клетку и выходить из нее, не пропуская все остальное? Агре исследовал аминокислоты, выстилающие “горлышко” канала, и обнаружил, что стенки, которые тянутся вдоль поры канала, имеют противоположные положительные и отрицательные заряды, пропускающие в канал молекулы воды – и только их.
Секрет избирательности аквапорина к воде связан с ее атомной структурой. Молекулы воды являются асимметричными, и заряды в них располагаются асимметрично. Отдельная молекула (H2O) состоит их двух атомов водорода и одного – кислорода. Этот единственный атом кислорода дает одной стороне молекулы отрицательный заряд, а два атома водорода делают другую сторону положительно заряженной. В старшей школе мы узнаём, что асимметрия молекулы воды объясняет ее способность в твердой форме формировать кристаллы льда с помощью взаимного притяжения положительно и отрицательно заряженных частиц. Асимметрия заряда молекулы воды также играет свою роль: частицы с противоположным зарядом вдоль поверхности, выстилающей пору аквапорина, сопровождают одну за другой молекулы воды через канал с потрясающей скоростью – 3 млрд молекул в секунду.
Белок аквапорина создает в клеточной мембране каналы в форме песочных часов. Они позволяют воде проходить через жировой слой клеточной мембраны. Если смотреть в разрезе, то аминокислоты аквапорина, направленные в центральную пору водного канала, притягивают воду, тогда как обращенная к мембране сторона состоит из аминокислот, притягивающих липиды (мембрану). Распределение положительных и отрицательных зарядов проводит молекулы воды через канал аквапорина
Вскоре после открытия первого водного канального белка Агре и другие исследователи обнаружили иные члены увеличившейся семьи аквапоринов. Они есть практически в каждом организме – от простейших бактерий до сложных растений и животных. Некоторые проводят только воду, как первый аквапорин, обнаруженный Агре, а другие представители семейства могут пропускать и другие молекулы, такие как глицерин и мочевину.
Агре склонен недооценивать свое открытие. “В нем не было ничего гениального, – сказал он мне, – но я счастлив, что решил загадку, используя выдержавший проверку временем метод слепой удачи”. Однако ученый скромничает. Возможно, удача и сыграла свою роль, но были и решительность, и пытливый ум, и изрядная доля таланта.
На волне открытия Агре исследователи из разных областей науки начали изучать аквапорины и ту роль, которую эти белки играют в таких процессах, как перенос воды через корни и отростки растений, а также фильтрация воды в почках. Их достижения были незаурядными. Но в 2000 г. история с аквапорином приобрела совершенно новый поворот, когда Мортен Остергаард Йенсен, тогда работающий над своей диссертацией в области биофизики в Университете Иллинойса, прочитал доклад Агре об атомной структуре аквапорина. Во время выступления Йенсена озарило: что, если есть возможность использовать канальный белок для очистки воды не только в клетках внутри живых организмов? Что, если можно сделать основанные на аквапорине водяные фильтры, чтобы очищать воду для нас всех и удовлетворять растущие потребности цивилизации в пресной воде?
■ ■ ■
Чтобы исследовать потенциал своей идеи, в 2005 г. Остергаард Йенсен объединил усилия с другом Петером Хольмом Йенсеном, серийным предпринимателем, имеющим опыт научной работы в структурной биологии. Получив более полное представление о том, как работает аквапорин, компаньоны уверились, что, возможно, им действительно удастся создать основанный на нем водяной фильтр, встроив белок в слой оболочки, чтобы получилось что-то вроде сита. Как себе представляли исследователи, это сито будет пропускать воду – и только ее. Чем больше они размышляли об идее биологического фильтра, тем более многообещающей она казалась. Особенность аквапорина транспортировать молекулы воды могла сделать фильтр более эффективным, чем все уже существующие. Как позднее сказал мне Хольм Йенсен, “зачем пытаться изобрести что-то получше, когда можно использовать гениальную находку природы?”.
В 2005 г. Хольм и Остергаард основали Aquaporin A/S – компанию по очистке воды, расположенную в Дании. Их целью было использовать селективность аквапоринов, чтобы разработать новую технологию очищения воды. Они хорошо знали, что удовлетворение потребности в воде на планете, где к 2050 г. будет жить более 9,5 млрд человек, требует ранее неизвестных методов. Хольм и Остергаард решили посмотреть, что можно сделать для разработки необычной системы очистки воды. Когда я спросила Хольма Йенсена, как он совершил этот потрясающий интеллектуальный скачок от научного открытия к практическому применению, которое может спасти весь мир, тот ответил: “Это было очевидно”. Возможно, очевидно только для него, но теперь его работой стало убеждать других и привлекать их к тому, чтобы помочь воплотить эту фантастическую идею в жизнь.
В 2006 г. Хольм Йенсен добился важного достижения, назначив своего коллегу Клауса Хеликс-Нильсена техническим руководителем Aquaporin A/S. В то время Хеликс-Нильсен занимал – и продолжает занимать – преподавательские должности отделения экологической технологии Технического университета Дании и отделения химического производства Мариборского университета в Словении. Это партнерство привело к изменениям. Вместе они пустились в авантюру, пытаясь понять, смогут ли увеличить возможности основанной на аквапорине мембраны для очистки воды в одной клетке до масштабов города.
Чтобы больше узнать о том, как идет работа в Aquaporin A/S, я полетела в Данию на встречу с Хеликс-Нильсеном. Этот человек имеет самые обширные интересы: во время обсуждения аквапоринов он касался самых разных, захватывающих областей, заставив меня задуматься над такими вещами, как физические ограничения зрения животных и машин или переписка Моцарта и Гайдна. В детстве Хеликс-Нильсен хотел стать археологом или, может быть, архитектором. Но затем он заинтересовался тем, как человеческий мозг обрабатывает и сохраняет информацию, поэтому переключился на изучение биофизики. Вначале ученый решил, что может изучить систему обработки визуальных данных. Но, пытаясь понять, как нервные клетки мозга и их сложная совокупность производят зрительные образы такими, какими мы их воспринимаем, он был заинтригован тем, как отдельные компоненты системы объединяются, чтобы поддерживать ее сложную работу как единого целого. Вскоре Хеликс-Нильсен понял, что человеческое зрение является слишком сложным для того, чтобы добиться успеха в исследовании этой общей проблемы, поэтому сосредоточился на простой и ясной вещи – на том, как вещества проходят сквозь клеточные мембраны через специальные белковые каналы, и на том, как эти белки взаимодействуют с мембранами. В конце концов в 2005 г. он обнаружил, что погрузился в исследование аквапорина, увлеченный той легкостью, с какой этот белок отделяет воду от посторонних веществ.
Конечно, для того, чтобы основанная на аквапорине система очистки воды работала на практике, следовало соблюсти по крайней мере одно требование – она должна соответствовать по цене и эффективности уже существующим системам. Можно ли создать и воплотить в жизнь такое приспособление, которое решило бы проблему с чистой пресной водой в глобальном масштабе? Сразу после того, как я зашла в здание компании Aquaporin, Хеликс-Нильсен провел меня в демонстрационную зону, где продукция компании была представлена в виде поражающего воображение набора пластиковых цилиндров различного размера. Эти цилиндры с логотипом Aquaporin Inside являлись приспособлениями для фильтрации воды размером от нескольких сантиметров до одного метра. Большинство из них находилось на стадии разработки, но Хеликс-Нильсен с гордостью передал мне один, около 30 см в длину и 10 см в диаметре. Компания уже протестировала его в частных домах в Китае.
■ ■ ■
На своем пути, пытаясь увеличить объем фильтрации воды от клеточного уровня до масштабов города, Хеликс-Нильсен, Хольм Йенсен и их коллеги из Aquaporin A/S столкнулись с рядом очень трудных задач. Красные кровяные тельца производят ровно столько аквапорина, чтобы его хватало только для фильтрования воды для их собственных нужд, которые, учитывая размер отдельной клетки, невелики. Эритроцит имеет размер менее 10 микрометров (мкм) в диаметре, то есть 150 красных кровяных телец, размещенных в линию, будут иметь толщину не более 1,5 мм. Хеликс-Нильсен и его коллеги понимали, что, если они хотят создать какой-либо коммерческий фильтр для воды, пусть даже для начала бытовой, им нужно найти способ производить гораздо больше аквапорина, чем то количество, которое создают клетки. Их аквапорин должен быть стабильным, потому что у коммерческих фильтров нет клеточных механизмов, заменяющих изношенные белки. И поскольку они пытались создать фильтр, который сможет пропускать гораздо большее количество воды, чем клетка, их аквапорин должен был быть способен размещаться на намного более прочной мембране, чем клеточная.
Чтобы решить первую проблему, то есть произвести достаточное количество белков для коммерческого использования, Хеликс-Нильсен обратился за идеями в биофармацевтическую отрасль. В ХХ в. он бы не смог этого сделать. В прошлом веке лидеры фармацевтики, среди которых были “Аспирин”, “Ацетаминофен” (“Парацетамол”), “Аторвастатин” (“Липитор”) и “Омепразол” (“Прилозек”), появлялись на свет в химических лабораториях, где были разработаны гениальные методы распознавания, а затем и синтеза большого количества химических веществ, способных вмешиваться в клеточные процессы или дополнять их с очень высоким избирательным действием. Но многие из новейших лекарств – это биологические продукты, а не синтетически произведенные химикаты, например белки, взятые из растущих клеток. С ростом биологических знаний новое поколение изобретателей лекарств манипулирует биологическими механизмами, чтобы заставить живые клетки производить основанные на белках лекарства, такие как “Адалимумаб” (“Хумира”) и “Этанерцепт” (“Энбрел”) для лечения аутоиммунных заболеваний, а также ряд противоопулеховых лекарств, в том числе “Трастузумаб” (“Герцептин”), “Ритуксимаб” (“Ритуксан”) и “Бевацизумаб” (“Авастин”).
Чтобы произвести достаточное для потребления человеком количество этих препаратов, биофармацевтическая промышленность нашла способ выращивать микроорганизмы в огромных цистернах, а затем получать из них путем очистки определенные белковые вещества. Такие компании, как Genentech, Genzyme, Amgen и Biogen, разработали новые методы, чтобы расширить качественное производство этого современного класса лекарств до промышленных масштабов. Хеликс-Нильсен рассудил, что для массового производства аквапорина есть смысл использовать те же методы. В 2006 г. они с коллегами взяли в команду экспертов в области молекулярной биологии и начали работать с различными микроорганизмами в поисках клеточной “фабрики”. В итоге ученые выбрали бактерию Escherichia coli и сделали это по двум причинам. Во-первых, этот организм легко вырастить, а исследователи знали, что в биофармацевтической индустрии уже известно, как использовать данную бактерию в качестве биофабрики, чтобы создавать основанные на белках лекарства, такие как инсулин или гормон роста. Во-вторых, кишечная палочка естественным образом производит собственный аквапорин, поэтому должна существовать возможность “убедить” ее производить его больше, не убивая клетки. В общем и целом бактерия, казалось, имеет потенциал, чтобы стать надежным производителем аквапорина для коммерческого применения.
Но Хеликс-Нильсен и его команда столкнулись с трудностями. Между современными биопрепаратами и аквапорином существует кардинальное отличие. Клетки, производящие большинство сегодняшних биофармацевтических лекарств, выполняют свою работу, выделяя белки в жидкость, окружающую их. Эти выделяемые белки можно собрать вместе с жидкостью, в которой находятся клетки, и очистить их. Но, как доказал Агре, аквапорин находится в клеточных мембранах. Клетки, производящие аквапорин, не выделяют его в окружающую жидкость, они помещают его в мембраны. Чтобы собрать белок, команда Aquaporin A/S должна была вначале выделить мембраны, а затем разработать способы разрушить их, чтобы извлечь аквапорин, – два сложных процесса, которые не переносят многие белки.
Как мы уже видели, функция белка зависит от того, как нить аминокислот завивается, а затем поддерживает свою особую трехмерную форму. Этот процесс опирается на силы притяжения и отталкивания между аминокислотами; если эти силы будут нарушены любым из большого количества факторов, белок раскрутится, что вызовет структурные изменения, которые, возможно, изменят его функцию. Также функционирование белка прервется, если его нить будет порвана. С этого момента он больше не будет выполнять свою работу. В живой клетке такая проблема обычно не является серьезной, потому что клеточные механизмы могут починить или заменить дефектные белки. Но для того, чтобы от белка была польза, скажем как от коммерческого водяного фильтра, нужно, чтобы он долгое время сохранял свою структуру без починки и замены. К счастью, аквапорин необыкновенно стабилен.
Возможно, таким он и должен быть. В отличие от многих других клеток тела, у красных кровяных телец нет механизмов, чтобы чинить и замещать свои компоненты, не хватает им и механизмов деления. В результате белки эритроцитов должны быть очень стабильными, чтобы выдержать трудное путешествие по кровеносной системе человека. Также они должны быть достаточно стабильны, чтобы просуществовать в течение четырех месяцев – довольно долгий срок по сравнению с клетками кожи, которые живут менее месяца, или клетками, выстилающими пищеварительный тракт, срок жизни которых составляет менее недели. Для команды Aquaporin A/S это были хорошие новости, поскольку благодаря своей стабильности, необходимой, чтобы обслуживать красные кровяные тельца, этот белок мог пережить высокие температуры и экстремальные химические среды, необходимые, чтобы отделить его от клеточных мембран. Даже подвергнувшись жесткому процессу очистки, аквапорин не терял своей способности фильтровать воду. “Это просто наше благословение”, – как сказал мне Хеликс-Нильсен, описывая их авантюру по созданию основанного на аквапорине водяного фильтра.
■ ■ ■
Пока все шло неплохо. Усовершенствовав методы биофармацевтической промышленности, команда Aquaporin A/S разработала процесс производства большого количества аквапорина. Но тут возник вопрос: как снова встроить выделенные белки аквапорина в мембраны?
Решение этой задачи оказалось достаточно простым. Структура аквапорина заставляет его искать липидную среду, то есть среду, состоящую из молекул, которые больше напоминают растительное или животное масло, а не воду. Клеточная мембрана – это липидная среда, которая не позволяет соединяться водной среде вне клетки и внутри ее. Внешняя и внутренняя среда клетки содержит различные молекулы в растворе: неорганические, такие как хлорид натрия (обычная пищевая соль) и другие солеподобные молекулы, и органические, такие как белки, которые растворяются в воде. Во внешней и внутренней среде клетки должен поддерживаться определенный состав молекул в растворе, что позволяет сделать клеточная мембрана. Когда это необходимо, аквапорины и другие канальные белки пропускают воду (в случае с аквапорином), натрий или другие молекулы (в случае с другими канальными белками) с одной стороны мембраны на другую.
Вспомним, что бочкообразные стенки “песочных часов” аквапорина, как и все остальные части белка, состоят из аминокислот. Некоторые из этих аминокислот растворяются в воде (они являются гидрофильными, водовосприимчивыми), а другие растворяются в жире, а не в воде (их называют гидрофобными). Внешняя поверхность “бочонка” аквапорина состоит из гидрофобных аминокислот, которые ищут липидную среду. Принимая все это во внимание, когда Хеликс-Нильсен и его команда подготовили очищенный аквапорин, все, что им нужно было сделать, – это смешать его с напоминающими липидную мембрану сферами, сделанными из специальных полимеров, и аквапорины естественным образом встроятся в оболочку таких сфер.
Следующим шагом было создание фильтра из этих очень маленьких сфер, основанных на полимерах и содержащих аквапорин. Очевидным решением было бы дать сферам свободу и позволить им соединиться друг с другом в плоский лист. Но мембраны от природы склонны к сферической форме. Сделать их плоскими и гладкими – сложный и дорогой процесс. В 2009 г. Хеликс-Нильсен и его команда начали сотрудничать с учеными из Центра мембранных технологий в Сингапуре, чтобы определить, не смогут ли они обойтись без процесса сглаживания и сделать фильтр, который состоит, как бы это ни было неожиданно, из мембранных сфер, или, как его называл Хеликс-Нильсен, пузырьковый лист. Вместо плоской мембраны с порами аквапоринов исследователи представляли себе тонкий слой с внедренными в него сферами аквапоринов.
Это создавало потенциальную проблему: чтобы молекулы воды проходили через лист с находящимися на своих местах пузырьками, требовалось два аквапориновых прохода вместо одного. Вода должна была входить в сферу через аквапориновый канал на одной стороне и выходить через другой такой же канал с другой стороны.
Следующий большой вопрос, на который команде Aquaporin A/S нужно было найти ответ, – это узнать, не снизит ли наличие двух каналов вместо одного производительность процесса фильтрации. Как выяснилось, ответом на него было “нет”. В 2012 г. Хеликс-Нильсен и его помощники из Центра мембранных технологий в Сингапуре сумели разработать пузырьковый лист, который был дешевле и прочнее сглаженного, и продемонстрировали, что транзит воды через пузырьки, который требовал, чтобы каждая молекула проходила через два аквапориновых канала, не слишком замедляет фильтрацию воды. Относительная легкость производства пузырьковых листов по сравнению со сглаженными более чем компенсировала небольшое снижение производительности из-за того, что вода проходила через два канала.
На рисунке в поперечном сечении показан содержащий аквапорин пузырек, где вода проходит с одного конца аквапоринового фильтра к другому. Вода из раствора с посторонними примесями (наверху) протекает через один аквапориновый канал внутрь пузырька, а затем вытекает из него через второй аквапориновый канал. Пузырек находится в мембранном листе, который поддерживается дополнительным пористым листом прокладки. После того как вода (и только вода) пройдет через аквапориновые каналы (в пузырьке), она проходит через дополнительную прокладку, благодаря чему на выходе получается чистая вода (внизу)
Пока клеточная мембрана эффективно разделяет друг от друга две водные среды (внутри клетки и вне ее), она выполняет свою работу. Тем не менее клеточная мембрана не имеет особой структурной целостности: это просто очень тонкий слой жира, который формирует оболочки клеток. Он не может выдержать силы, которые должна переносить работоспособная мембрана, фильтрующая воду. Сама по себе плоская клеточная мембрана имеет толщину менее 10 нм, но даже превосходно сконструированный и сделанный Хеликс-Нильсеном и его коллегами пузырьковый лист толщиной 200 нм все еще тоньше, чем маслянистая пленка в луже воды. Аквапориновые пузырьковые листы следовало поддержать какой-то более прочной структурой.
Чтобы решить эту проблему, команда Aquaporin A/S решила поместить слой аквапоринового пузырькового листа на пористый материал. Хеликс-Нильсен отметил сходство такой структуры с бисквитным пирожным, покрытым тонким слоем глазури, украшенной изюминками. Бисквит соответствует подкладке из пористого материала, глазурь представляет собой пузырьковый лист, а изюминки – это внедренные в него сферы, содержащие аквапорин. Это изысканная инженерная структура, и Aquaporin A/S сумел построить ее в промышленном масштабе.
Мечта об очистке воды с помощью аквапорина уже доказала свою состоятельность во время проверки, привлекшей всеобщее внимание: в 2015 г. датские астронавты использовали мембраны Aquaporin A/S, чтобы фильтровать воду, которую они пили в космосе, где повторное использование воды – жизненно важная часть любой успешной экспедиции. Теперь в партнерстве с китайским предприятием под названием Aquapoten Aquaporin A/S работает над тем, чтобы вскоре выпустить на рынок систему фильтрации воды, встраиваемую в водопроводный кран. Во время моего визита Хольм Йенсен и Хеликс-Нильсен показали ее прототип и объяснили, как она будет работать. Набор из трех или четырех цилиндров с фильтрами разместится в маленьком пластиковом контейнере за раковиной. Льющаяся через кран вода будет прогоняться через аквапориновые мембраны с удвоенной по сравнению с обычной для таких систем фильтрации скоростью. В зависимости от качества поставляемой воды аквапориновый фильтр нужно будет менять примерно каждые полгода.
■ ■ ■
Помимо размещаемых за раковиной водяных фильтров Хеликс-Нильсен думал и о многих других способах оптимизировать использование воды. Он указывает на то, что люди используют воду одного и того же качества для всех своих нужд. В США это означает, что одна и та же вода употребляется для питья, стирки одежды, мытья посуды, полива садов и смыва нечистот в туалете. Во многих развитых странах подобным же образом один и тот же источник воды с примесями используется для еды, питья, стирки и ирригации. Хольм Йенсен, Хеликс-Нильсен и Aquaporin A/S хотят изменить такое положение вещей, значительно расширив использование воды для конкретных целей. Эта идея уже становится модной. Например, в одном из зданий МТИ, уже приспособленном к такому подходу, используется две системы водоснабжения: с помощью одной подается сверхчистая вода для питья и мытья посуды, а через другую идет переработанная вода для туалетов и полива.
Если домашние водяные фильтры будут востребованы, Aquaporin A/S планирует запустить ряд новых технологий, которые изменят способ использования воды в XXI в. Хеликс-Нильсен ожидает, что применение основанной на аквапорине системы прямого осмоса приведет к снижению количества воды, используемой для сельскохозяйственных нужд, и уменьшению объема сточных вод во всем мире. Осуществление этой задачи может привести к революционным изменениям, если учесть, что примерно 70 % мировых запасов пресной воды на планете сегодня используется для сельского хозяйства. Ученый показал мне прототип очень большого цилиндра с фильтром, который будет применен в системе, и объяснил, как она будет работать. Высококонцентрированное удобрение будет течь с одной стороны аквапоринового фильтра, а с другой будет стекать сточная вода, которую сегодняшние фермеры просто сливают. Поскольку концентрация раствора с удобрением будет выше, чем у сточных вод, осмотическое давление заставит воду проходить через аквапориновый фильтр, по сути дела получая чистую воду из грязного сточного потока, чтобы разбавить удобрение. Этот процесс будет давать сразу два преимущества: во-первых, уменьшать объем сточных вод, а во-вторых, понижать количество чистой воды, необходимой для разбавления удобрения, – сплошной выигрыш в использовании воды. Как объяснил Хеликс-Нильсен, подобная же система может функционировать в прачечных. После использования для стирки одежды грязная вода пройдет с одной стороны снабженного аквапорином фильтра, по другую сторону которого находится высококонцентрированный раствор моющего средства. Разница в концентрации между моющим средством и сточной водой вытеснит воду (очищенную прохождением через аквапориновые каналы) с грязной стороны и использует для разбавления моющего средства. Объем сточных вод сокращается, а разбавленное моющее средство может быть использовано в следующих циклах стирки. Таким образом, происходит экономия воды.
Великолепные биологические открытия таких ученых, как Питер Агре, и инженерные нововведения таких людей, как Петер Хольм Йенсен и Клаус Хеликс-Нильсен, – это свидетельства того, что мы находимся на пороге больших изменений в очистке воды и конструировании систем водоснабжения. Мы наблюдаем революционный момент, тот, который Хеликс-Нильсен сравнивает со временем, когда автомобили стали производиться массово. Точно так же, как компания Ford Motor столетие назад, Aquaporin A/S ставит себе целью расширить масштабы относительно новой технологии, чтобы она стала экономически доступной миллионам – и даже миллиардам – людей. “Я думаю о нашей компании как о заводе Генри Форда, – сказал Клаус. – Форд не изобрел автомобили, но он поставил их производство на поток, доказав состоятельность технологии и сделав ее доступной массам”.
