# Дэвид Филлипс о биотехнологиях: от сыроварения до генетической инженерии Источник: https://www.youtube.com/watch?v=i7ZcqIKa8kw Канал: The Royal Institution Опубликовано: 02.08.2025 --- В заключительной шестой лекции из цикла Рождественских лекций Королевского института 1980 года выдающийся британский ученый Дэвид Филлипс наглядно демонстрирует, как человечество подчиняет себе живые молекулы для решения сложнейших задач в промышленности, медицине и генетике. На примере увлекательных живых экспериментов лектор объясняет внутреннее устройство энзимов, механизмы действия антибиотиков, структуру вирусов и основы зарождавшейся в то время генетической инженерии. Эта лекция подводит итог масштабному путешествию вглубь живой материи, показывая переработку теоретических знаний в практические технологии, меняющие мир. ## 🧀 От сыроварения до молекулярных замков: как работают энзимы [[JUMP:1:05]] ### Древнейшие биотехнологии человечества Человечество использовало силу молекул на протяжении тысяч лет, даже не подозревая об их существовании. Простейшим и самым ранним примером применения энзимов (ферментов) в истории является сыроварение. Наши предки заметили, что при переноске молока в желудках убитых животных оно приобретает новые свойства. Лектор совместно со своим ассистентом Биллом демонстрирует этот процесс в реальном времени, добавляя в колбу с теплым молоком реннин — фермент, выделенный из желудка теленка. ### Молекулярный механизм створаживания Буквально за несколько секунд структура молока меняется: оно густеет и разделяется на две фракции: * Творожный сгусток (сывороточный белок); * Жидкую фракцию (сыворотку). При пропускании смеси через сито на фильтре остается осадок белка. Филлипс объясняет химическую суть процесса: фермент реннин расщепляет основной молочный белок — казеин. Это радикально меняет его физико-химические свойства, делая белок нерастворимым, что позволяет спрессовать его и получить сыр. В отделившейся жидкой сыворотке, помимо остаточных белков, содержится сахар, который также представляет огромный интерес для науки и индустрии. ## 🌾 Загадки сахаров: почему мы не едим траву [[JUMP:3:58]] ### Структура глюкозы и солнечная энергия Сахара являются фундаментальными молекулами, поскольку именно они первыми синтезируются на Земле с использованием солнечной энергии. В процессе фотосинтеза под воздействием солнечного света молекулы углекислого газа и воды расщепляются и соединяются вновь: из шести молекул $CO_2$ и шести молекул $H_2O$ формируется одна молекула глюкозы, а избыток кислорода выделяется в атмосферу. Используя пространственную модель, лектор демонстрирует строение глюкозы: * Она состоит из 6 атомов углерода, 6 атомов кислорода и 12 атомов водорода; * Основу структуры составляет шестичленное кольцо (пять атомов углерода и один атом кислорода); * В пространстве молекула может принимать различные конформации, наиболее стабильной из которых является форма «кресла». ### Cellulose против крахмала: разница в одной связи Молекулы глюкозы способны соединяться в длинные полимерные цепочки. Самым распространенным органическим материалом на планете является целлюлоза — основа древесины и хлопка, который состоит из нее практически на 100%. Возникает вопрос: почему люди не могут питаться травой или древесиной, если они состоят из питательной глюкозы? Лектор объясняет, что у человека просто нет энзимов, способных расщепить специфическую химическую связь между остатками глюкозы в целлюлозе. Более того, даже коровы не обладают таким ферментом — они полагаются на симбиотических бактерий, живущих в их пищеварительной системе. В то же время крахмал (содержащийся в картофеле и пшенице) состоит из точно таких же молекул глюкозы, но соединенных под другим пространственным углом. Для расщепления такой альфа-связи в человеческом организме есть все необходимые энзимы, что позволяет нам эффективно извлекать энергию из крахмалистой пищи. ## 🧪 Промышленные биотехнологии: сладкие растворы и секрет шоколада [[JUMP:9:33]] ### Лактоза и иммобилизованные ферменты Другим важным сахаром является лактоза — молочный сахар, содержащийся в сыворотке. Лактоза состоит из глюкозы и галактозы, соединенных вместе. Она менее растворима и не такая сладкая, как чистая глюкоза. По словам Филлипса, до 50% населения земного шара страдает непереносимостью лактозы из-за врожденного или приобретенного дефицита расщепляющего ее фермента. Чтобы сделать молоко доступным для таких людей, лактозу необходимо расщепить заранее. Обычное добавление фермента в цистерну невыгодно, так как энзим уйдет вместе с продуктом. Французские исследователи разработали установку, которой активно интересуется британский Совет по маркетингу молока (Milk Marketing Board). В этой системе применяется технология иммобилизованных ферментов: * Внутрь стеклянной колонны помещаются микроскопические стеклянные шарики; * На поверхности этих шариков химически закреплены (иммобилизованы) молекулы фермента; * Раствор лактозы подается сверху, проходит сквозь слой шариков, фермент расщепляет сахар, и снизу вытекает чистая смесь галактозы и глюкозы. Два юных волонтера из зала в ходе «слепого» теста подтверждают, что прошедшая через колонну жидкость на вкус гораздо слаще исходного раствора лактозы. ### Превращение кукурузного сиропа и жидкие конфеты Аналогичный процесс используется для превращения дешевого кукурузного сиропа в высокоподслащенную смесь глюкозы и фруктозы. Фруктоза имеет пятичленное кольцо и обладает гораздо большей сладостью, чем глюкоза. В промышленной установке для этой цели используется длинная колонна, состоящая из миллионов химически сшитых друг с другом молекул фермента глюкозоизомеразы. Когда обычный сахар (сахароза, состоящая из глюкозы и фруктозы) подвергается воздействию ферментов, его свойства кардинально меняются. Этим обусловлен знаменитый кондитерский секрет шоколадных конфет с жидкой начинкой. Филлипс наглядно демонстрирует два образца конфет от производителя: 1. Без добавления фермента: начинка представляет собой твердую сухую пасту из сахарозы, которая легко ломается; 2. С добавлением фермента инвертазы: изначально твердая сахарная помадка под действием фермента расщепляется на глюкозу и фруктозу. Эти сахара намного лучше растворяются в той минимальной влаге, которая была в пасте, и твердая начинка прямо внутри шоколадной оболочки превращается в густой жидкий сироп. ## 🍞 Микроорганизмы на службе человека: от хлеба до структуры белков [[JUMP:19:35]] ### Многоступенчатый ферментативный каскад в дрожжах Если для изменения одного сахара требуется один фермент, то для сложных превращений необходима последовательность из множества реакций. Закреплять десятки разных энзимов на стеклянных шариках слишком трудоемко, поэтому ученые и промышленники используют «готовые контейнеры» — живые клетки бактерий или грибков (например, дрожжей). При выпечке хлеба ферменты пекарских дрожжей перерабатывают глюкозу, содержащуюся в тесте. Этот сложнейший каскад состоит примерно из 15 последовательных шагов, каждый из которых катализируется отдельным энзимом. В результате одной молекулы глюкозы образуются две молекулы углекислого газа (именно этот газ создает пузырьки и пористую структуру хлеба) и две молекулы этилового спирта. Спирт испаряется при выпечке, но успевает придать хлебу его неповторимый аромат. Тот же процесс происходит в домашней винодельне, которую демонстрирует ассистент Билл: через гидрозатвор активно выделяются пузырьки $CO_2$, пока дрожжи превращают виноградный сок в алкоголь. ### Оксфордские исследования архитектуры белков Лектор детально останавливается на одном из 15 шагов этого метаболического пути, который изучается в его родном Оксфорде. Фермент должен переместить один атом водорода из строго определенного пространственного положения в другое внутри промежуточной молекулы сахара. Филлипс включает масштабную подсвечиваемую модель этого фермента, состоящего из тысяч атомов. Конструкция наглядно демонстрирует сложное переплетение белковых цепей: * В самом центре молекулы вытянутые белковые цепи формируют жесткую структуру, напоминающую «бочонок из шелка»; * Вокруг этого центрального бочонка расположены спиралевидные участки белка, похожие на «волосы». Для выполнения химической реакции фермент создает мощный отрицательный заряд с одной стороны (чтобы оторвать протон водорода) и положительный заряд с другой (чтобы сместить электроны в химических связях). Подобная ювелирная точность недостижима методами классической химии в пробирке. ## 🧫 Микробы вокруг нас и рождение антибиотиков [[JUMP:26:02]] ### Бактерии на нашей коже Для демонстрации распространенности микроорганизмов Филлипс показывает чашки Петри с питательным агаром, на которые в ходе прошлых лекций волонтеры ставили отпечаток пальца и прикладывались губами. На пластине с отпечатком большого пальца выросли огромные разноцветные колонии бактерий. На «поцелованной» пластине отчетливо видны очертания колоний, в точности повторяющие контур губ и кончик носа отважной юной ассистентки. Человек успешно сосуществует с этими микробами благодаря защитным барьерам организма: * Кожа служит механическим щитом; * Желудочный сок уничтожает бактерии при проглатывании; * Слезная жидкость и слюна содержат фермент лизоцим, растворяющий клеточные стенки бактерий. ### Открытие и принцип действия пенициллина Если бактерии все же прорывают оборону, вызывая заражение крови или ангину, на помощь приходят антибиотики. Филлипс напоминает историю Александра Флеминга, который спустя 10 лет после открытия лизоцима случайно оставил открытую чашку с бактериальной культурой на бенче. Налетевшая плесень *Penicillium* уничтожила бактерии вокруг себя. Флеминг назвал выделенное вещество пенициллином, но не смог изолировать чистую молекулу. Это удалось сделать лишь спустя еще 10 лет исследовательской группе Говарда Флори и Эрнста Чейна в Оксфорде. Пенициллин имеет сложную химическую структуру и действует избирательно. Он блокирует работу ферментов бактерии, отвечающих за построение поперечных белковых сшивок в жесткой клеточной стенке. Лектор сравнивает растущую под действием пенициллина бактерию с воздушным шаром, который пытаются надуть, но из-за дефектов оболочки он просто лопается. Поскольку клетки человека не имеют подобной клеточной стенки, пенициллин абсолютно безопасен для нашего организма и атакует исключительно патогены. В то же время другой антибиотик — актиномицин — действует менее избирательно: его плоская молекула встраивается между парами оснований ДНК, намертво блокируя синтез РНК. Он опасен и для человеческих клеток, поэтому требует крайне осторожного применения в медицине. ## 👾 Мир вирусов: геометрия футбольного мяча и атака бактериофагов [[JUMP:35:33]] ### Кристаллы внутри клеток и самосборка Вирусы устроились еще проще бактерий: их нельзя назвать живыми в полной мере. Модель вируса демонстрирует замкнутую сферическую оболочку (капсид) из красных белковых субъединиц, внутри которой упакована нуклеиновая кислота. Попадая в клетку, вирус заставляет ее механизмы синтезировать свои копии, что часто приводит к гибели клетки. На слайде с вирусом полиомиелита видно, как тысячи вирусных частиц внутри пораженной клетки упаковываются в идеальную гексагональную структуру, фактически кристаллизуясь. Филлипс объясняет математический принцип самосборки таких сферических вирусов, сформулированный Аароном Клугом и Дональдом Каспером. Если попытаться свернуть плоский лист, состоящий из правильных шестиугольников (гексагонов), в сферу, ничего не получится. Для создания кривизны необходимо заменить часть шестиугольников на пятиугольники (пентагоны). По точно такому же геометрическому принципу сшиваются классические футбольные мячи. ### Бактериофаги — космические аппараты микромира Удивительно, но бактерии тоже страдают от вирусов. Лектор демонстрирует слайды и огромную модель бактериофага — вируса, паразитирующего на бактериях. Это сложнейший белковый механизм, напоминающий по форме посадочный модуль лунного корабля: * У него есть граненая головка с нуклеиновой кислотой; * Хвостовой чехол и длинные нити («ножки»); * При посадке на бактерию он закрепляется, с помощью собственного встроенного лизоцима проделывает отверстие в бактериальной стенке и, как шприц, впрыскивает внутрь свою ДНК. На взрывном снимке бактериофага видно, какая гигантская нить нуклеиновой кислоты высвобождается из его крошечной белковой головки — в ней зашит весь код для сборки новых вирусных частиц. ## 🩸 Иммунная защита и тайны групп крови [[JUMP:39:10]] ### Структура антител Главным оружием нашего организма против вирусов являются антитела (иммуноглобулины). Это крупные Y-образные белковые молекулы, состоящие из двух типов цепей: двух длинных («тяжелых», окрашенных на модели в черный цвет) и двух коротких («легких», окрашенных в красный). К нижней части белка прикреплены углеводные молекулы. На концах «рогатки» Y-образной молекулы расположены уникальные активные центры, идеально подходящие к чужеродным антигенам, как элементы пазла. В ходе интерактивного эксперимента три мальчика (изображающие вирусы) и три девочки (изображающие антитела) наглядно показывают, как антитела хватают вирусы обеими «руками», связывая их в огромный неподвижный конгломерат (комок), который затем легко уничтожается организмом. ### Эксперимент по определению группы крови Проблема распознавания «свой-чужой» лежит и в основе разделения людей по группам крови. На поверхности эритроцитов (красных кровяных телец) находятся специфические цепочки сахаров. В зависимости от их типа кровь классифицируют: * Тип A (содержит сахар А); * Тип B (содержит сахар B); * Тип AB (содержат оба типа сахаров); * Тип O (не содержат ни одного из этих сахаров). Если человеку с группой B ошибочно перелить кровь группы A, его иммунная система мгновенно выработает антитела, что приведет к смертельно опасному склеиванию (агглютинации) эритроцитов в сосудах. Для демонстрации процесса Билл берет кровь из пальца отважной сотрудницы Джулии, капая по одной капле на стекла с маркировкой А и B. Затем он добавляет к каплям сыворотки с антителами анти-А и анти-B. На предметном стекле А кровь мгновенно становится зернистой и сворачивается в крупные хлопья под действием антител. Это доказывает, что у Джулии вторая группа крови (тип А). ## 🧬 Генетическая инженерия и две Нобелевские премии Фреда Сенгера [[JUMP:48:15]] ### Метод создания рекомбинантной ДНК Понимание того, как вирусы и бактериофаги внедряют свою ДНК в клетки, натолкнуло ученых на революционную мысль: можно ли использовать этот механизм для заставления бактерий синтезировать полезные для человека белки? Так родилась генетическая инженерия. Филлипс берет гибкую модель кольцевой бактериальной ДНК (плазмиды) и демонстрирует технологию «сплайсинга» (сшивания): * Специальный фермент (рестриктаза) разрезает кольцо ДНК в строго определенном месте, оставляя так называемые «липкие концы»; * Ученые синтезируют нужный ген (например, человеческого белка) с комплементарными (совпадающими) липкими концами; * Ген вставляется в разрез плазмиды, образуя привычные комплементарные пары оснований А-Т и Г-Ц. Фермент лигаза намертво сшивает ДНК. Модифицированная плазмида возвращается в бактерию, которая начинает штамповать целевой белок. ### Спасение для диабетиков и триумф Фреда Сенгера Главной целью этой технологии в 1980-е годы являлось производство человеческого инсулина. Этот небольшой белок, чью пространственную структуру детально изучила Дороти Ходжкин, контролирует усвоение глюкозы клетками. Без инсулина клетки «голодают», что приводит к тяжелому состоянию — сахарному диабету. В условиях мирового дефицита животного инсулина генетическая инженерия бактерий стала настоящим спасением. Для контроля болезни диабетики используют домашние тесты: полоска бумаги пропитана двумя ферментами. Первый превращает глюкозу крови в перекись водорода, а второй расщепляет перекись с выделением кислорода, который окрашивает индикатор в зависимости от концентрации сахара. В завершение лекции Филлипс выражает восхищение успехами молекулярной биологии и своим коллегой Фредом Сенгером. Сенгер стал уникальным ученым, получившим две Нобелевские премии по химии: 1. В 1958 году — за расшифровку последовательности аминокислот в белковой цепи инсулина; 2. В 1980 году — за разработку метода секвенирования (расшифровки) последовательности нуклеотидов в ДНК. Публикации Сенгера в журнале *Nature* явили миру удивительные факты: например, бактериофаги умудряются упаковывать информацию настолько плотно, что один и тот же участок ДНК кодирует сразу два разных белка за счет сдвига рамки считывания на один нуклеотид. ## 🐸 Клонирование и взгляд в будущее науки [[JUMP:58:10]] Финальным аккордом лекции становится упоминание фундаментальных экспериментов Джона Гёрдона, проведенных еще в 1960-х годах в области клонирования животных. Гёрдон брал икру шпорцевой лягушки (*Xenopus*), облучал ее ультрафиолетом для уничтожения собственного ядра, а затем шприцем вводил туда ядро, извлеченное из клетки кишечника головастика. В 1% случаев икринка успешно развивалась и превращалась в полноценную взрослую лягушку — точную генетическую копию того головастика, у которого взяли ядро. По мнению Дэвида Филлипса, клонирование человека в будущем также может стать теоретически возможным, хотя на момент 1980 года наука знает для этого слишком мало. Профессор предостерегает юную аудиторию от паники, отмечая, что если в ближайшие годы они увидят «клонов человека» на экранах, то это будет лишь результатом хитрых трюков фотографов и электроники. Филлипс призывает будущие поколения ученых использовать полученные знания ответственно и подчеркивает, что развитие фундаментальной науки невозможно остановить, а любые предрассудки и общественное невежество обязаны в конечном итоге уступить место чистому научному знанию.