Неприметные живые фабрики
Знакомясь с трудами по химии природных соединений, невольно замечаешь следующее. Нередко подобные работы посвящены поиску отличий химии, изучающей природные вещества, от органической и неорганической химии, которые, в свою очередь, исследуют продукты переработки полезных ископаемых. Как правило, делается акцент на сложности природных структур и трудности их синтеза. Чтобы представить, насколько сложен синтез подобных молекул, можно вспомнить о работах выдающегося американского химика, нобелевского лауреата Роберта Вудворда, который синтезировал хлорофилл и кобаламин (витамин B12). Синтез хлорофиллов он завершил в 1960 году, начав его в 1956-м. Для воссоздания сложнейшей структуры зелёного вещества листьев понадобилось более 20 этапов. Ещё больше времени Вудворд затратил на синтез витамина В12. К данной работе он приступил в 1961 году, а закончил её и опубликовал в 1973-м. Синтез включал почти 100 стадий, каждая из которых тщательно планировалась и анализировалась. Оба блестящих исследования выполнены исключительно для демонстрации могущества науки, никакого практического значения они не имели, но стали поворотным пунктом в развитии органической химии. Нобелевскую премию Вудворду дали по совокупности работ за синтез многих природных соединений. Но именно синтезы кобаламина и хлорофилла были самыми трудными и потому вошли в историю науки.
Изначально органическая химия занималась изучением соединений на основе углерода, присутствующих в живых организмах. В ХХ веке, по мере роста добычи полезных ископаемых, акцент начал смещаться. Органическая химия стала изучать нефть, природный газ, горючие сланцы, а также бесчисленные продукты их переработки. Причина проста — большинство органических веществ рентабельнее получать из нефти и природного газа, чем, например, из растений. В результате дисциплине, изучающей вещества биологического происхождения, дали иное, несколько тяжеловесное наименование «биоорганическая химия».
Сейчас доминирует мнение, что большинство синтезированных человеком веществ не встречается в природе. Речь в первую очередь о простейших органических веществах, обладающих высокой токсичностью: пестицидах, препаратах бытовой химии, лекарствах и тому подобном. Собственно говоря, само определение «ксенобиотик» в переводе с древнегреческого (ξένος — чужой и βίος — жизнь) означает «чуждый жизни», то есть чужеродное для организмов соединение. Укоренилась точка зрения, что биосфера не может перерабатывать продукты химической промышленности, потому что она с ними не знакома. Но это не так. Более того, живые организмы, в первую очередь микробы, сами синтезируют токсичные вещества, не так давно считавшиеся не существующими в природе. Приведём самые показательные примеры.
Способность биосферы к утилизации и обезвреживанию ксенобиотиков основана на том, что большинство из них ксенобиотиками не являются. То есть в следовых количествах эти вещества образуются в биосфере и постоянно в ней присутствуют. Например, четырёххлористый углерод (тетрахлорметан) разлагается культурой Pseudomonas sp. KC с образованием чрезвычайно токсичных промежуточных метаболитов — фосгена (дихлорангидрида угольной кислоты) и тиофосгена. Правда, существуют эти опасные молекулы очень недолго, доли секунды, и моментально гидролизуются.
Фосген обладает запахом подгнивших фруктов и перепрелой листвы, но безобидный аромат не должен вводить в заблуждение. Это соединение склонно присоединяться к белкам и нуклеиновым кислотам, образуя с ними аддукты. Будучи газообразным веществом при комнатной температуре, фосген поражает прежде всего лёгкие, вызывая их отёк и приводя к смерти от удушья. В Первую мировую войну фосген применялся как боевое отравляющее вещество, а сегодня не утратил значения в производстве поликарбонатов и мочевины.
Тиофосген (дихлорангидрид теперь уже тиоугольной кислоты) по свойствам схож с фосгеном, но тяжелее и при комнатной температуре представляет собой жидкость красного цвета. Он тоже очень ядовит, применяется в производстве тиомочевины и тиокарбаматов.
Здесь может последовать возражение, что хотя фосген образуется в живых бактериальных клетках, четырёххлористый углерод, метаболитом которого он является, в природе не присутствует. Так ли это? Удивительно, но это тоже природное вещество — оно выделяется морскими красными водорослями Asparagopsis armata. То есть в биосфере существуют метаболические пути, ведущие и к четырёххлористому углероду, и к фосгену. С латыни Asparagopsis armata можно перевести как «спаржевидка вооружённая». И это весьма точно. Водоросль отдалённо напоминает спаржу, а оружие у неё двух видов. Иголки, похожие на гарпуны, и железистые клетки, накапливающие галогенированные метаболиты в виде капель, сильно преломляющих свет. Эти железы могут составлять до 10% объёма всей водоросли. Неудивительно, что такой хорошо защищённый организм стал опасным инвазивным видом. Исходный ареал аспарагопсиса — Южное полушарие, побережья Австралии и Новой Зеландии. Теперь он распространился и в Северном полушарии, преимущественно в Средиземном море.
Бромциан в Первую мировую войну Австро-Венгрия применяла в качестве боевого отравляющего вещества. Сейчас это твёрдое, но летучее при комнатной температуре вещество находит применение в золотодобыче в качестве цианирующего агента. Применяется оно также в хроматографии для иммобилизации белков на агарозе, поскольку легко присоединяется к биополимерам. Высокая токсичность в сочетании с летучестью делает бромциан хорошим фумигантом и ратицидом — ядом для крыс: полулетальная доза для этих грызунов составляет 25—50 мг/кг. Бромциан оказывает сильное слезоточивое действие, поэтому работают с ним в вытяжном шкафу с соблюдением всех мер предосторожности, имея под рукой противогаз. К тому же бромциан нестоек и может разлагаться со взрывом.
Но и это соединение вырабатывается в природе. Недавно стало известно, что диатомовые водоросли Nitzschia pellucida (названные не в честь Фридриха Ницше, как гласит распространённое заблуждение, а в честь немецкого биолога XIX века по имени Christian Ludwig Nitzsch, устоявшееся русское написание фамилии — Нич) выделяют бромциан в качестве метаболита. А в присутствии избытка йодида они синтезируют ещё более токсичный лакриматор (слезоточивое вещество) —йодциан. Авторы открытия искали в экстрактах из ницшии ещё один аналог бромциана, хлорциан, который тоже исключительно токсичен и до сих пор не найден в живой природе. Но данный метаболит не был обнаружен — учёные связывают это с избирательностью фермента галопероксидазы, участвующего в биосинтезе бромциана.