Слюни реставратора
 |
|
Фото Эмилы Медковой
|
Поводом для расследования, предпринятого Паулой Роман, была, видимо, конфликтная ситуация, возникшая в лиссабонском Институте Жозе де Фигейредо, где реставраторы использовали собственную слюну для того, чтобы оттирать от грязи хрупкую краску на керамике, дереве или позолоту. «Ну что вы делаете, ведь есть же современные патентованные средства — уайт-спирит, толуол и прочие. Ими надо работать, а слюной как-то неэстетично получается, мы же все-таки бойцы культурного фронта», — примерно так останавливали их коллеги. «Да не работают ваши патентованные средства, грязь от них остается, приходится применять силу, а украшения хрупкие, могут сломаться. Слюна — самое то», — отвечали им реставраторы и продолжали плевать на музейные древности. Видимо, дискуссия о правильном методе очистки нешуточно разгорелась в коллективе, что и привело к необходимости применить научный метод познания. Это стремление к истине поддержали сразу две уважаемые португальские организации: Национальный институт научных исследований и Национальный совет научно-технических исследований.
Для проведения работы взяли несколько грязных музейных экспонатов — скульптуры XVIII века, покрытые краской и позолотой, — и стали оттирать их как слюной, так и различными растворителями. И оказалось, что реставраторы-то правы: слюна в целом работает как универсальный растворитель. Например, уайт-спирит неплохо оттирал грязь с участков, окрашенных темперой, но плохо — с масляной краски, метилгептан очищал синюю и красную темперу, однако не справлялся с белыми участками. А слюне было под силу все. Разве что красная и синяя темпера несколько страдали от ее воздействия, видимо, слюна растворяет их пигменты.
В чем же магическое действие этой биологической жидкости? Для внесения ясности исследователи подвергли хроматографии смывы с тех ваток, которыми работали в ходе эксперимента. Вывод был такой. Основные компоненты грязи — это жирные кислоты и фосфолипиды. Они концентрируют в своих отложениях белки и прочие компоненты, поэтому, разложив липиды, от грязи удается избавиться. Слюна как раз и содержит нужные ферменты: липазы — они расщепляют жирные кислоты — и гидролазы, которые довершают начатое дело. Причем важнейшая и известнейшая из этих гидролаз — альфа-амилаза; ее главная задача — расправляться с молекулами крахмала. Крахмала и вообще углеводов в грязи вроде бы замечено не было, но Паула ухватилась именно за амилазу: она взяла экстракты этого фермента из самых разных источников — хлеба, дрожжей, картошки, а также выделенные из используемого биотехнологами микроорганизма — Bacillus subtilis. Хотя амилаза и неспособна расщеплять липиды, все эти экстракты прекрасно справились со своей задачей и очищали предметы искусства не хуже, чем слюна. А вот нагрев и слюны, и раствора экстрактов амилаз лишал их чудодейственных свойств. Это неудивительно — фермент, как всякий белок, при нагреве легко денатурирует и теряет свои свойства. Основываясь на полученных результатах, будущие лауреаты уважаемой премии и посоветовали впредь использовать не слюну, но раствор экстракта бактериальной амилазы.
К сожалению, неизвестно, удалось ли Пауле Роман и ее коллегам внедрить находку в практику или их коллеги, наплевав на результаты высокой науки, по-прежнему обходятся внутренними ресурсами. В принципе амилазы используют для реставрации, но это совсем не очистка от грязи — ими разлагают капли клея на различных документах и прочих объектах. Вот, например, недавняя история с реставрацией баварского знамени Максимилиана I, которое стало трофеем Отечественной войны 1812 года (ГОСНИИР). В 2014 году оно досталось реставраторам ГосНИИ реставрации в плачевном состоянии: уже порядком истлевшее белое полотнище оказалось наклеено на шелковый тюль, но за прошедший с последней реставрации век тюль также истлел, а клей — потемнел и стал хрупким. Анализ же показал, что клеев два — один мучной, то есть с большим количеством крахмала, а другой — белковый — из коллагена. Чтобы отклеить знамя от тюля, была создана композиция с разлагающей крахмал амилазой, уничтожающими белки протеазами и борющейся с жиром липазой. Как видно, это совсем другая история, непохожая на предмет расследования Паулы.
Впрочем, покопавшись в истории, можно обнаружить, что идея использовать амилазу в чистящих средствах отнюдь не нова. Сам по себе фермент, разлагающий крахмал, К.С. Кирхгоф в 1811 году нашел в вытяжке из зерен ячменя. До амилазы в слюне исследователи добрались уже в 1831 году, и оказалось, что она составляет 30—40% всего белкового состава слюны, служит для того, чтобы сразу во рту начать превращение крахмала в сахар, а также придает слюне антибактериальные свойства.
Первую промышленную технологию получения амилаз придумал японец Такаминэ Дзёкити в 1894 году: источником фермента ему послужили грибы. Эту грибную амилазу такадистазу — до сих пор применяют как пищевую добавку, способствующую перевариванию пищи. Из бактерий Bacillus subtilis этот фермент датчане стали выделять в 1917 году и так делают до сих пор — сейчас бактериальная амилаза составляет четверть всего объема производства промышленных ферментов. Конечно, теперешние промышленные ферменты не очень похожи на природные — биотехнологи немало поработали над повышением их эффективности, соответствующим образом переделав гены микробов.
Однако несколько ранее, в 1906 году, в ферментной истории случилось еще одно знаковое событие — в ней появился Отто Рём. Окончив в 1901 году университет в Тюбингене по специальности «аптекарь» и защитив диссертацию по изучению полимеризации акриловой кислоты, он поработал сначала в фармацевтической компании «Мерк», потом — в газовой компании Штутгарта. И как-то так получилось, что, заинтересовавшись дублением кож, Рём обнаружил: один из процессов — его называют мягчением — представляет собой прямой вызов просвещенному человечеству. В самом деле, для него испокон века использовали столь специфический препарат, как твердые испражнения собак, которые добавляли дополнительные ароматические нотки к и без того вонючему ремеслу кожемяки. Как истинный отчаянный химик, Рём не мог пройти мимо столь вопиющей несправедливости. Что такого ценного может быть в этих испражнениях? Конечно же пищеварительные ферменты. Но ведь их можно получить чистым процессом из бросового сырья — поджелудочных желез забитых животных! И действительно, экстракты поджелудочных желез коров и свиней прекрасно справлялись с мягчением кож. (Рёму в каком-то смысле повезло: сейчас известно, что те ферменты, что работали в собачьих экскрементах, к самому животному не имели никакого отношения их синтезировали бактерии, населяющие кишечник.)
Поняв, что обнаружил золотую жилу, Рём не стал долго раздумывать, просить господдержку, писать заявки на гранты со стороны фондов развития малого предпринимательства или акселераторов инноваций бизнес-инкубаторов, а предложил своем приятелю Отто Хаасу основать компанию по выпуску ферментного препарата — оропона. Ее так и назвали «Рём Хаас». Хаас, хоть и работал операционистом в центробанке Штутгарта, был не потомственным банкиром, а сыном железнодорожника. Компания двух друзей оказалась весьма успешной. Хаас в 1909 году переехал в США, где возглавил дочернюю компанию, которая сначала под его управлением, а потом — его сыновей пережила обе мировые войны, но в 2009 году ее за 18 млрд долларов приобрела транснациональная корпорация «Доу Кемикалс». Впоследствии Рём прославился еще и изобретением плексигласа — оргстекла из метилметакрилата. Он умер в 1939 году, будучи обладателем 70 патентов, а оборот его компании со штаб-квартирой в Дармштадте составил 22 млн рейхсмарок.
Однако, даже став промышленным магнатом, Рём не перестал быть истинным ученым: он продолжил искать новые ферменты и способы их применения. В частности, Рём обнаружил, что экстракт из поджелудочной железы отлично отчищает ткань, загрязненную белками. Это неудивительно в нем есть фермент трипсин; он, будучи протеазой, как раз и должен разлагать белки. Рём придумал способ использовать эту находку ив 1913 году получил патент на моющий состав с таким экстрактом — это стало первым моющим средством с ферментами. Однако успеха не добился: дело в том, что трипсин теряет свою активность в щелочной среде, а основу состава составляла сода.
Тем не менее идея не пропала: ею заинтересовался другой истинный ученый — швейцарец Эдуард Яаг, который начал работу над ферментами в моющих средствах в 30-е годы. Вскоре началась Вторая мировая война, и эта тема неожиданно стала очень актуальна — дефицит жиров заставил сократить производство мыла. Тут бы и пригодился рецепт Рёма с содой и ферментами, но никак не удавалось эти ферменты приучить работать в горячей щелочной воде. Только в 1947 году Яаг придумал первый неплохой состав с трипсином, однако отметил, что протеаза не слишком хороша, если стирать ткани из нитей, содержащих белки — шерсть или шелк.
К тому времени уже была создана промышленная микробиология и разработаны высокоэффективные ферментеры — этому способствовала необходимость массового производства пенициллина во время войны. Поэтому можно было отказаться от экстрактов и использовать чистый бактериальный фермент. И вот в 1959 году Яаг вместе со «Швейцарской ферментной компанией» сделал первый успешный состав — его назвали Bio40 — с бактериальным трипсином, который мог работать в нейтральной среде.
Тем временем датчане из компании «Ново индустри» задумались об использовании ферментов для очистки одежды рыбаков: не секрет, что отстирать ткань от рыбной слизи и избавиться от ее противного запаха — очень сложная задача. Им к 1961 году удалось-таки заставить микроба Bacillus licheniformis синтезировать протеазу, работающую в щелочной среде; ее назвали алкалазой. И все же стиральный порошок не получился: рыбацкие вещи стирали в несколько стадий, сначала нагревая почти до кипения, а после остывания добавляли фермент; в общем, выходило очень сложно. И тогда датчане решили соединить усилия — вступили в контакт с компанией «Гебрюдер Шнайдер», где трудился Яаг.
Они предложили заменить в Bio40 швейцарский фермент на алкалазу, что и было сделано. Однако в Швейцарии местные мыльные короли не дали возможности работать; ферментный стиральный порошок пошел на рынки Голландии и Дании, а уже в 1963 году он захватил 20% датского рынка. Вскоре к протеазе в составе порошка присоединилась и амилаза — сейчас это второй по распространенности ферментный компонент как жидких моющих средств, так и стиральных порошков.
Не все шло гладко. Массовый выпуск таких порошков американцы начали во второй половине 60-х годов, но вскоре оказалось, что у рабочих возникает аллергия на ферменты. За дело взялись профсоюзы, и с их мнением пришлось считаться — тогда еще не было возможности выводить сложные химические производства в страны, где профсоюзы не обладают влиянием, а законы об охране труда были либеральны. В 1975 году ферменты в американские стиральные порошки добавлять перестали, ходила даже шутка: лучше быть грязным, чем больным. Однако научно-технический прогресс неостановим — уже на следующий год в компании «Проктер энд Гэмбл» (а это, в частности, порошки «Тайд» и «Ариэль») придумали упаковывать ферменты в гранулы с оболочкой из легкоплавкого воска. И вот с тех пор и по нынешнее время в 85% всех стиральных порошков и жидких моющих средств обязательно есть ферменты, в том числе и амилаза, помогающая португальским реставраторам очищать грязь с ветхих древностей.
Впрочем, есть подозрения, что человеческая амилаза все-таки гораздо сильнее той бактериальной, которую добавляют в моющие средства, и именно поэтому выбор реставраторов совершенно оправдан, а тридцатилетняя задержка с признанием этого факта оргкомитетом престижной премии связана исключительно с необходимостью получить данные, проверенные временем. Вот свежая статья («Biochemistry and Molecular Biology Education»), где обсуждается методика преподавания промышленной биохимии: во время лабораторной работы студентам предлагают как раз сравнить амилазы из слюны и моющих средств.
Цель такой лабораторной работы — продемонстрировать важность промышленных ферментов для нашей жизни не словами, а красивыми и простыми опытами. Для них надо взять два моющих средства с ферментами, какое-либо моющее средство для деликатной стирки — в них ферментов быть не должно, и несколько миллилитров слюны того студента, что ставит опыт (тут, правда, надо быть аккуратным — слюна людей разного этнического происхождения может существенно различаться по активности амилазы).
Изучать активность амилазы в этих веществах несложно: потребуется не очень сложное оборудование и реактив, в котором краситель прочно связан с крахмалом и из-за этого не растворяется в воде. При добавлении амилазы крахмал станет распадаться, высвобождая краситель, что можно зафиксировать невооруженным глазом, а прибором померить интенсивность окрашивания, то есть активность амилазы. Так вот, сравнение результатов работы показало, что амилаза в слюне в восемнадцать раз активнее, чем в моющих средствах, правда, работает она при температуре не выше 40°С. Скорее всего, дело не в различиях человеческого и бактериального фермента, а в том, что в слюне его концентрация существенно выше, чем в моющих средствах, — что и подтвердила житейская логика реставраторов, отказавшихся менять слюну на моющее средство.