Strona 1 В МИРЕ Н А Ш SCIENTIFIC AMERICAN Издание на русском языке Strona 2 Я. Мусил, О. Новакова, К. Кущ СОВРЕМЕННАЯ БИОХИМИЯ В СХЕМАХ Перевод с английского 2-е издание СОВРЕМЕННАЯ и=- БИОХИМИЯ В СХЕМАХ Москва Издательство -Мир* 1984 - Jri Щ ц Книга, написанная группой чеш- тателей. Она окажется полезной ских авторов, является совер- для всех, кто изучает биохимию шенно необычным уникальным как наиболее краткая форма из- изданием по биохимии. В послед- ложения, и особенно для тех, кто ние годы на русском языке поя- не имея специальной подготов- вился ряд прекрасных книг по ки, столкнулся с ее проблемами. биохимии, предназначенных Таким образом, она будучи стро- главным образом для специали- го научным изданием макси- стов, работающих в этой обла- мально облегчает знакомство с сти. Данное издание принципи- этой областью науки. ально отличается от них по край- Русское издание «Современ- ней мере двумя особенностями. ной биохимии в схемах» значи- Во-первых, своим объемом. Фун- тельно более полное по сравне- даментальные основы биохимии нию с оринигалом,поскольку ав- и новейшие достижения этой на- торы включили в него шесть но- уки изложены в ней очень лако- вых глав, посвященных вопро- нично. Концентрация огромного сам, которые ранее в книге не фактического материала до- рассматривались. стигнута за счет того, что цент- Многочисленные положи- ральное место отведено очень тельные отзывы читателей на 1-е наглядным цветным схемам, а издание позволяют с увереннос- краткий текст лишь поясняет их тью сказать, что книга будет ши- и включает определение основ- роко использоваться исследова- ных понятий. Это талантливо со- телями, работающими в смеж- ставленный своего рода кон- ных с биохимией областях, сту- спект различных разделов био- дентами и аспирантами, изучаю- химии. щими биохимию, а также препо- Вторая особенность книги за- давателями школ, техникумов и ключается в том, что она рассчи- педагогических вузов. тана на самый широкий круг чи- 1984, 26 изд. л. Цена 2 руб. Strona 3 В МИРЕ НАУКИ Scientific American •Издание на русском языке иллюстрированный журнал п е р е в о д с а н г л и й с к о г о • в ы х о д и т 12 р а з в г о д * и з д а е т с я с 1983 г о д а и з д а т е л ь с т в о «мир» москва № 4 - АПРЕЛЬ 1983 В номере: СТАТЬИ Синтетические вакцины Ричард А. Лернер Удалось синтезировать короткие цепочки аминокислот, которые имитируют определенные участки поверхности вирусного белка. С их помощью можно индуцировать образование антител с заранее известной специфичностью и создать иммунитет против вируса 15 Оптический компьютер Айтен Эйбрэхэм, Колин Г. Ситон и С.Дезмон Смит Один триллион (1012) операций в секунду — таково быстродействие оптической вычислительной машины, в которой вместо электрических токов будут использоваться световые лучи. Уже создан основной элемент такой машины — оптический аналог транзистора 26 Скрытые зрительные процессы Джереми М. Вулф Зрение обычно считают единым чувством. Эксперименты показывают, однако, что зрительная си- стема состоит из нескольких подсистем, деятельность которых в нормальных условиях скрыта от сознания наблюдателя 36 Решеточная теория удержания кварков Клаудио Ребби С помощью дискретной решетки, налагаемой на пространство-время, удалось смоделировать силу, действующую между кварками в таких частицах, как протон, и объяснить, почему изолированный кварк не может быть в свободном состоянии 49 Будущее сельского хозяйства США Сандра С. Бейти и Роберт Г. Хили В предстоящие десятилетия уровень цен на сельскохозяйственную продукцию в США будет опреде- ляться не только наличием таких основных средств производства, как земля, вода и энергия, но и экспортным спросом 60 Активная солнечная корона Ричард Вольфсон Окружающее солнечный диск серебристо-белое сияние, которое раньше можно было наблюдать только при полных затмениях Солнца, сейчас является объектом постоянного исследования. Дина- мическая активность короны отражает сложные процессы взаимодействия вещества с магнитными полями 71 Ядовитые лягушки Чарлз У.Майерс и Джон У.Дэли В Колумбии индейцы-охотники отравляют иглы для духовых трубок сильными ядами — алкалоидами, которые добывают из маленьких лягушек. И сами алкалоиды, и эволюци- онная биология ядовитых лягушек представляют большой интерес 81 Веерные СВОДЫ Уолтер К.Лиди, мл. В XIV в. английские зодчие преобразовали готическую систему остроконечных арок в свод — оболочку из плавно сопряженных поверхностей. Конструкция эта отличается не только изяществом — главное, к чему стремились ее создатели, — но и высокой прочностью РУБРИКИ 3 Об авторах 25 50 и 100 лет назад 14, 35, 8 9 , 1 0 6 Наука и общество 7 0 , 1 0 2 Книги 9 0 Наука вокруг нас 9 6 Магия математики 108 Библиография Strona 4 SCIENTIFIC На обложке AMERICAN BOARD OF EDITORS Gerard Piel PUBLISHER Dennis Flanagan EDITOR Brian P.Hayes ASSOCIATE EDITOR Philip Morrison BOOK E D I T O R Francis Bello John M.Benditt С И Н Т Е Т И Ч Е С К И Е ВАКЦИНЫ Peter G. Brown Michael Feirtag Структура полиэдрической белковой оболочки, или капсида, вируса карликовой Jonathan B. Piel кустистости томатов (изображена синим цветом). Капсид состоит из 180 молекул John Purcell белка; каждая из 60 треугольных граней капсида образована тремя такими моле- James T. Rogers кулами; 12 поверхностных доменов белка показаны оранжевым цветом. Рисунок Armand Schwab, jr. Joseph Wisnovsky сделан по изображению, полученному А. Олсоном с помощью ЭВМ. Анализ та- ких изображений — один из этапов разработки синтетических вакцин (см. ста- Samuel L. Howard тью Р. Лернера «Синтетические вакцины», с. 4). Обычно вакцины против возбу- ART DIRECTOR дителей вирусных инфекций содержат целые вирусные частицы, синтетическая Richard Sasso же вакцина — это искусственно синтезированный пептид, т.е. короткий отрезок PRODUCTION MANAGER полипептидной цепи, который имитирует участок поверхностного белка вируса. George S.Conn При разработке синтетической вакцины необходимо знать, с какими участками GENERAL MANAGER молекулы вирусного белка связываются вырабатываемые против него антитела. © 1983 by Scientific American, Inc. Исследования показали, что антитела реагируют практически с любым участком Торговая марка Scientific American, на поверхности белка, если он не погружен d глубь вирусной частицы и доступен ее текст и шрифтовое оформление молекулам, находящимся в кровотоке. Т. О'Доннелл, М. Коннолли и А. Олсон являются исключительной собственностью разработали методы построения графиков, с помощью которых можно убедить- Scientific American, Inc. и использованы здесь в соответствии ся, что данный пептид действительно имитирует участок поверхностного вирус- с лицензионным договором ного белка и поэтому должен вызывать образование антител против целых ви- русных частиц. Уже получены синтетические вакцины против вирусов гриппа, ящура, гепатита и против дифтерийного токсина. В будущем подобные препара- ты позволят эффективно бороться с опасными заболеваниями. В МИРЕ НАУКИ Иллюстрации ОБЛОЖКА: Gabor Kiss ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР С.П.Капица СТР. АВТОР/ИСТОЧНИК СТР. АВТОР/ИСТОЧНИК ЗАМЕСТИТЕЛЬ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Л.В.Шепелева 50--57 Andrew Tomko 63 High Altitude 76 Patricia J. Wynne НАУЧНЫЕ РЕДАКТОРЫ 3 7 --47 Ilil Arbel Observatory 3. Е. Кожанова 78 Enid Kotschnig О. К. Кудрявов 5 Arthur J.Olson, 64 American Science 80 John Moss, Black Т. А. Румянцева Research Institute and Engineering, Star A.M. Смотров of Scripps Clinic Inc. ЛИТЕРАТУРНЫЕ РЕДАКТОРЫ 82—85 Alan D. Iselin Л.И.Леонова 6-- 7 Patricia J.Wynne 65 Goddard Space М.М.Попова Flight Center 86 Walter C. Leedy, 8 --11 Arthur J. Olson, (вверху), High Jr., Cleveland ХУДОЖЕСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР С.А.Стулов Research Institute Altitude State University of Scripps Clinic Observatory (вверху) Alan D. ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕДАКТОР Л.П.Чуркина 12 Patricia J.Wynne (внизу) Iselin (внизу) КОРРЕКТОР 16--23 Walken Graphics 66 Naval Research 87 Alan D. Iselin И.И.Дериколенко Laboratory ОФОРМЛЕНИЕ ОБЛОЖКИ. 27 R. F. Bonifield, 88 John Moss, Black ТИПОГРАФИКА РУССКОГО ИЗДАНИЯ, с любезного раз- 67—69 Allen Beechel Star МАКЕТ СМЕННЫХ ПОЛОС: М.Г.Жуков решения Granger 72 David M. Dennis 90—94 Michael Goodman ТИТУЛЬНАЯ НАДПИСЬ, Collection 73 Patricia J. Wynne ШРИФТОВЫЕ РАБОТЫ: 2 8 --34 George V. Kelvin B. В. Ефимов 74 Charles W. Myers, 61 High Altitude American Museum АДРЕС РЕДАКЦИИ 129820, Москва, И-110, ГСП Observatory of Natural History 1-й Рижский пер., 2 62 Jay M.Pasachoff, 75 Lois W. Tice, ТЕЛЕФОН РЕДАКЦИИ Williams College National Institute 286.2588 (вверху) High of Arthritis, © Перевод Altitude Diabetes, and на русский язык и оформление, Observatory Digestive and издательство «Мир», 1983 (внизу) Kidney Diseases Strona 5 wax доцент кафедры физики в Колледже Мидлбери. Учился в Массачусетсом технологическом институте, а затем в Sandra S. Batie и Robert G. Healy Уатта в Эдинбурге. А. Эйбрэхэм — Суортморском колледже, который за- (САНДРА С. БЕЙТИ и РОБЕРТ старший научный сотрудник кафедры кончил в 1969 г., получив степени бака- Г. ХИЛИ «Будущее сельского хозяйст- физики. Родился в Израиле, в 1975 г. лавра по физике и по философии. Поз- ва США») — экономисты, особенно окончил Университет в Буэнос-Айресе, же Р. Вольфсон получил в Мичиган- интересуются проблемами природных в 1979 г. получил докторскую степень в ском университете степень магистра в ресурсов и землеустройства. С. Бейти Манчестерском университете. К. Си- области наук об окружающей среде. За- окончила Вашингтонский университет тон в 1979 г. окончил Университет тем в Дортмутском колледже получил (г. Сиэтл, шт. Вашингтон), а степени Эрио-Уатта, где сейчас работает над степень доктора физических наук. По магистра и доктора получила в Уни- докторской диссертацией. Его научная его словам, его интересуют исследова- верситете шт. Орегон. С 1973 г. она до- работа связана с изучением нелиней- ния поведения газов и плазмы в космо- цент кафедры экономики сельского хо- ных оптических эффектов в полупро- се, в том числе аккреция вещества в ис- зяйства в Вирджинском политехниче- водниках и созданием оптических уст- точниках космического рентгеновского ском университете. Р. Хил и получил ройств обработки сигналов. излучения, солнечный и звездный ве- ученые степени бакалавра, магистра и С.Д. Смит — профессор физики Уни- тер, а также солнечная корона. «В 1980- доктора * в области экономики в Кали- верситета Эрио-Уатта и одновременно 1981 гг. меня пригласили работать на форнийском университете в Лос- декан факультета естественных наук. высокогорную обсерваторию Нацио- Анджелесе. С 1975 г. он штатный со- Окончил Бристольский университет, нального центра по исследованию ат- трудник Фонда охраны природных ре- получил степени доктора философии мосферы; там я занялся теоретически- сурсов в Вашингтоне. В их статье ис- (1956 г.) в Университете Ридинга и до- ми вопросами динамики солнечной ко- пользованы данные широкого ком- ктора наук (1966 г.) в Бристольском роны. Мне хотелось бы поблагодарить плексного исследования, полные ре- университете. С.Д. Смит является чле- сотрудников обсерватории за помощь зультаты которого приведены в книге ном секции физики Королевского науч- в работе и всех тех, кто предоставил «Будущее американского сельского хо- ного общества в Эдинбурге, а также мне фотографии солнечной короны». зяйства как стратегического ресурса», членом Лондонского Королевского об- написанной группой авторов с участи- щества м Charles W. Myers, John W. Daly ем С. Бейти и Р. Хили. (ЧАРЛЗУ. М А Й Е Р С и Д Ж О Н У . ДЭ- Jeremy М. Wolfe (ДЖЕРЕМИ ЛИ «Ядовитые лягушки») работают Claudio Rebbi (КЛАУДИО РЕББИ М.ВУЛФ «Скрытые зрительные про- вместе с 1966 г. Они сочетают работу в «Решеточная теория удержания квар- цессы») читает вводный курс по психо- экспедициях с лабораторными иссле- ков») с 1977 г. работает в Брукхейвенс- логии и ведет научную работу в Масса- дованиями. Майерс и Дэли — сто- кой национальной лаборатории, специ- чусетсом технологическом институте ронники комплексного подхода к изу- алист в области теории элементарных (МТИ). Он родился в Лондоне, в 1977 г. чению живых существ. Ядовитых лягу- частиц. К. Ребби изучал физику в Ту- окончил с отличием Принстонский шек они изучают с позиций как общей ринском университете, где в 1967 г. по- университет. Темой его диссертации, биологии, так и биохимии. Ч.У. Май- лучил докторскую степень. Затем ста- над которой он работал в МТИ, было ерс заведует Отделом герпетологии в жировался в Калифорнийском техно- изучение бинокулярного зрения; за эту Американском музее естественной ис- логическом институте, преподавал в работу в 1981 г. ему была присуждена тории. В 1960 г. он окончил Флорид- Университете г. Триест и вел науч- степень доктора. Вулф пишет о себе: ский университет со степенью бакалав- но-исследовательскую работу в Евро- «В школе я думал, что стану юристом ра. Степень магистра получил в 1962 г. пейской организации ядерных иссле- или священнослужителем. Но как-то в Университете Южного Иллинойса. В дований (ЦЕРН) в Женеве. В 1974 г. во время летних каникул я подрабаты- 1964-1967 гг.работал в качестве пригла- К. Ребби был приглашен в Массачу- вал в научно-исследовательском цент- шенного научного сотрудника в лабо- сетский технологический институт ре при фирме Bell Laboratories и там ме- ратории им. Горгаса (Панама). В Му- на должность доцента. В течение ня обратили в служителя науки — я ув- зей естественной истории его приняли 1980-1981 гг. он снова занимался иссле- лекся экспериментальной психологией в 1968 г. В 1970 г. Ч.У. Майерс получил довательской работой в ЦЕРНе. зрительных процессов. Я часами про- степень доктора в Канзасском универ- сиживал в темной комнате, наблюдая ситете. Дж. У. Дэли руководитель Richard A. Lerner (РИЧАРД А. ЛЕР- за едва различимыми вспышками света лаборатории биоорганической химии в НЕР «Синтетические вакцины») заведу- разных цветов, после чего преиспо- Национальном институте артрита, ет отделом молекулярной биологии в лнился намерением заставить других диабета, заболеваний желудочно- научно-исследовательском институте людей делать то же самое». Свобод- кишечного тракта и почек. Дэли имеет при клинике Скриппса в г. Ла-Холья ное время Дж. Вулф любит прово- три ученые степени в области химии — (шт. Калифорния). Степень доктора дить у себя дома в Кембридже (шт. степени бакалавра (1954 г.) и магистра медицины он получил в 1964 г. в Стан- Массачусетс) «с женой, двумя кошками (1955 г.) он получил в Колледже шт. фордском университете, после чего год и двухметровым бирманским пито- Орегон, а степень доктора (1958 г.) — в работал в ординатуре Медицинской ном». Станфордском университете. школы Станфордского университета. С тех пор Лернер постоянно связан с Richard Wolfson (РИЧАРД ВОЛЬФ- Walter С. Leedy, Jr. (УОЛТЕР К. ЛИ- клиникой Скриппса, если не считать СОН «Активная солнечная корона») — ДИ, мл. «Веерные своды») — историк 1968-1970 гг., когда он работал в Фила- архитектуры средних веков. Работает в дельфии в Вистаровском институте * Степень бакалавра соответствует высше- Кливлендском университете. Учился в анатомии и биологии. му образованию; степень магистра—наше- Мичиганском университете и закончил му уровню аспирантуры без защиты диссер- там же аспирантуру. В 1966 — 1967 гг. тации. Низшая ученая степень — доктора Eitan Abraham, Colin Т. Seaton and философии — званию кандидата наук. Сте- был стажером-стипендиатом Фонда S. Desmond Smith (АЙТЕН ЭЙБРЭ- пень доктора в какой-либо науке — званию Костюшко в ПНР. В 1972 г. Институт ХЭМ, КОЛИН Т.СИТОН и С.ДЕ- доктора наук. — Прим. ред. искусств им. Куртолда Лондонского ЗМОН СМИТ «Оптический компью- *• Британская академия наук. — Прим. пе- университета присудил ему степень тер») работают в Университете Эрио- рев. доктора в области истории искусств. 3 Strona 6 Синтетические вакцины Удалось синтезировать короткие цепочки аминокислот, которые имитируют определенные участки поверхности вирусного белка. С их помощью можно индуцировать образование антител с заранее известной специфичностью и создать иммунитет против вируса РИЧАРД А.ЛЕРНЕР В П АКЦИНАЦИЯ — одно из круп- вотных (в случае вируса гепатита РЕЖДЕ ЧЕМ рассказать о результа- нейших достижений биологии. С В — из крови больных людей); в куль- тах наших экспериментов и новых ее помощью удалось победить ос- туре клеток, в куриных эмбрионах и в данных по структуре белков, мне бы пу и взять под контроль такие заболе- крови могут быть трудно обнаружи- хотелось остановиться на том, каким вания, как дифтерия, полиомиелит и мые агенты — в частности другие ви- образом иммунная система защищает корь. Однако техника вакцинации до русы, — которые загрязнят вакцину. организм от вирусной инфекции. Лю- сих пор несовершенна; самое главное, Многие вакцины даже с убитыми виру- бой вирус содержит небольшой объем невозможно гарантировать абсолют- сами необходимо хранить при пони- генетической информации, записанной ную безопасность вакцины. Иммуни- женной температуре, а создать надеж- в ДНК или РНК. Нуклеиновая кислота зация против вирусной инфекции до- ные системы для этого нелегко. вируса окружена оболочкой (капси- стигается тем, что в организм челове- В связи с этими трудностями возник дом), состоящей из многих молекул ка или животного вводят вирус; в от- большой интерес к синтетическим вак- одного или нескольких видов белка. вет на это образуются специфические цинам, т.е. к таким вакцинам, которые Капсид в свою очередь может быть антитела, которые обезвреживают содержат не целые вирусы, а искус- окружен мембраной, усеянной белка- возбудителя болезни. Вирус должен ственно синтезированные короткие ми. Инфекция начинается с того, что быть предварительно ослаблен или пептиды, имитирующие небольшие специфический участок на поверхности убит, чтобы он не мог вызвать заболе- участки внешней оболочки вируса и вируса связывается со специфическим вание. Ослабленным вирус становится способные вызывать образование ан- рецептором на поверхности клетки. после пассажей через организм какого- тител против этого вируса. В ряде ла- Вирус проникает сквозь мембрану в либо животного, во время которых он бораторий, в том числе и в нашей клетку и вынуждает ее биосинтетиче- мутирует и становится менее виру- (Научно-исследовательский институт ский аппарат образовывать копии ви- лентным для человека. (Если человеку клиники Скриппса), уже получены пер- руса. Новые вирусные частицы выхо- ввести вирус коровьей оспы, то у него вые экспериментальные вакцины тако- дят наружу и заражают другие клетки. возникает иммунитет против нату- го рода. Выяснилось много нового об Иммунная система организма может ральной оспы, т.е. вирус коровьей иммунологически важных особенно- блокировать инфекционный процесс, оспы — это ослабленный вирус, полу- стях структуры белков. Умение синте- если животное сталкивалось ранее с чившийся естественным путем.) Одна- зировать пептиды, вызывающие у жи- этим же вирусом или было иммунизи- ко ослабленный вирус еще жив и со- вотных образование антител с вполне ровано вакциной против него. В обоих храняет способность изменяться. Он определенной и заранее известной случаях специальные клетки иммунной может снова мутировать так, что его специфичностью, дает молекулярным системы — лимфоциты — окажутся вирулентность для человека возрастет. биологам мощное средство исследова- запрограммированными для узнава- Даже если вирус не мутирует, он мо- ния; пожалуй, это не менее важно, чем ния вируса. Как только поверхностный жет обладать каким-либо неизвестным применение синтетических вакцин в рецептор одного из таких лимфоцитов медленно проявляющимся свойством медицине. вступает в контакт с вирусом, запуска- вроде тех, что наблюдаются у так на- зываемых латентных вирусов. Непри- ятных последствий можно избежать, если убить и таким образом инакти- СИНТЕТИЧЕСКИЕ ВАКЦИНЫ конструируют с помощью полученных на ЭВМ гра- вировать вирус, однако случалось, что фиков. Рисунки изображений (получены А. Олсоном из Научно-исследователь- вирус инактивировался неполностью и ского института клиники Скриппса) демонстрируют, каким образом можно опре- делить, какие участки молекулы вирусного белка находятся на поверхности ви- вызывал заболевание. русной частицы и поэтому доступны для антител. 1. Остов поверхностного доме- Другой круг проблем относится и к на белка внешней оболочки вируса кустистой карликовости томатов (координаты вакцинам с убитыми вирусами, и к вак- определили С. Харрисон и его коллеги, Гарвардский университет). 2. Отдельный цинам с ослабленными вирусами. Все пептид белка {желтый); в боковых цепях аминокислотных остатков отмечены де- устройства типа ферментеров, в кото- тали на атомном уровне. 3. Тот же пептид в увеличенном виде; слева показана рых выращивают вирусы, представля- сфера, представляющая молекулу воды. 4. Сфера «катится» по поверхности пеп- ют собой потенциальный источник тида, и получается карта участков поверхности, доступных молекулам воды. Кар- та строится по алгоритму, разработанному М. Коннолли: в тех местах, где соотно- распространения возбудителя заболе- шение вандерваальсовых радиусов сферической модели молекулы воды и ато- вания. Кроме того, поскольку вирусы мов пептида не исключает тесного контакта молекулы воды с атомами пептида, размножаются только в живых систе- ставится точка (учитывается и влияние атомов остальной части молекулы белка). мах, их обычно выращивают в культу- Такая точечная карта показана для комплекса из трех молекул белка на поверхно- ре клеток или в куриных эмбрионах ли- сти вирусной частицы (5) и для четырех (из 60) таких комплексов, покрывающих бо выделяют из крови зараженных жи- вирусную частицу (6). 4 Strona 7 Strona 8 6 В МИРЕ НАУКИ -1983/№ 3 ется механизм иммунного ответа, од- но из проявлений которого — проли- РЕЦЕПТОР ферация клеток плазмы крови, декре- ПОВЕРХНОСТНЫЙ БЕЛОК тирующих антитела против опреде- ленных участков поверхности вируса. ВИРУС О Антитела связываются с этими участ- ками и покрывают поверхность вирус- ной частицы. Они не дают вирусу при- Л соединиться к клеточным рецепторам КЛЕТКА-ХОЗЯИН и тем самым нейтрализуют его. Сайт, который узнается специфиче- ским лимфоцитом и с которым впо- следствии взаимодействует антиген- связывающий центр специфического ан- АНТИТЕЛО титела, называется антигенной детер- минантой. Обычно это небольшой фрагмент поверхностного белка виру- са. Если это так, то нельзя ли полу- чить антитела, способные инактивиро- вать вирус, вводя в качестве вакцины те пептиды, которые служат антиген- ными детерминантами? Представле- ние о том, что даже небольшая часть ЛИМФОЦИТ инфекционного агента может играть ПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ роль вакцины, возникло более 45 лет КЛЕТКА назад: У. Гибель из Рокфеллеровского института медицинских исследований продемонстрировал, что иммунизация мышей полисахаридами клеточной - 4 А РЕЦЕПТОР стенки бактерий, вызывающих пнев- монию, защищает животных от после- дующей инфекции. В 60-е годы Р. Мер- рифилд (Рокфеллеровский универси- тет) разработал автоматизированный Г метод соединения аминокислот в пеп- тиды. Это давало возможность полу- чать иммуногенные пептиды заданной структуры. КЛЕТКА-ХОЗЯИН Порой далеко не просто определить аминокислотную последовательность конкретных пептидов в составе длин- ной белковой молекулы, однако иссле- дователи нашли способ избегать таких затруднений. Аминокислотная после- довательность белка задается последо- вательностью нуклеотидов в нуклеи- новой кислоте (ДНК или РНК), коди- рующей этот белок. Несколько лет на- зад были разработаны замечательные новые методы определения нуклеотид- ПЕПТИД ной последовательности ДНК. Стало возможным очень быстро определять полную последовательность ДНК ви- руса (или ДНК-копии вирусной РНК). Поэтому в принципе можно идентифи- цировать последовательность, кото- рая кодирует поверхностный белок ви- руса, и транслировать ее согласно ге- нетическому коду в аминокислотную у последовательность белка. Затем по методу Меррифилда можно синтези- ровать короткие пептиды из разных ВИРУСНУЮ ИНФЕКЦИЮ можно предотвратить, введя в организм человека или участков этой белковой молекулы, животного вакцину, а — Вирус присоединяется к рецептору на поверхности клет- инъецировать их лабораторным жи- ки, проникает внутрь и заставляет клетку синтезировать копии вирусной части- вотным и выяснить, будут ли они вы- цы; клетка гибнет, новые вирусы выходят наружу, б — Вакциной может служить ослабленный или убитый вирус. Связывание такого вируса с рецептором стиму- зывать образование антител, связыва- лирует лимфоцит к делению, и возникает клон плазматических клеток, секретиру- ющихся с естественным вирусным бел- ющих антитела. Когда такой же вирус попадет в организм, эти антитела свяжутся ком и нейтрализующих вирус. с поверхностным вирусным белком и нейтрализуют вирус, в — Синтетический Однако, прежде чем осмысленно пептид, имитирующий часть поверхностного белка вирусной частицы, также вы- разрабатывать конкретные вакцины, зывает образование антител, способных нейтрализовать вирус. предстояло разобраться в природе ан- Strona 9 СИНТЕТИЧЕСКИЕ ВАКЦИНЫ 7 тигенной детерминанты, понять, мож- а ДНК но ли имитировать ее с помощью ко- T Т G G Т Т С Т Т С Т G G А С Т А Т С A AlG G Т А Т G Т Т G С С С G Т Т Т G Т С С т С Т А роткого синтетического пептида. Свя- зывание антител с участками белковых БЕЛОК молекул определяется их электриче- Leu Val Leu j [ Met Leu Pro Val | Cys Pro Leu ским зарядом и формой. Остов белко- вой молекулы — это цепочка из ато- АСПАРАГИНОВАЯ КИСЛОТА ГЛУТАМИН мов углерода и азота, от нее торчат в разные стороны боковые группы ами- нокислот, каждой из которых свойст- венны лишь ей присущие форма и рас- пределение зарядов. Последователь- ность аминокислот (т.е. первичная структура белка) и их близкие взаимо- действия определяют, какова вторич- ная структура данного участка поли- пептидной цепи: будет ли это спираль или излом. Взаимодействия между от- дельными участками белка на уровне вторичной структуры в свою очередь определяют, какова третичная струк- тура белка. Белки, как правило, имеют сложную третичную структуру. Следовательно, возможны два вида н ^ Ч с / Ч н антигенных детерминант. Если анти- генсвязывающий центр молекулы ан- титела распознает боковые группы он аминокислот, расположенных в поли- ЛЕЙЦИН ТИРОЗИН глицин пептидной цепи друг за другом, гово- рят о непрерывной антигенной детер- минанте. Составная же антигенная де- терминанта складывается из боковых групп аминокислот, удаленных друг от друга вдоль полипептидной цепи, но сближенных в пространстве благо- даря третичной структуре. Еще два-три года назад те знания и представления, которыми располагала иммунология, не позволяли надеяться, что синтетические пептиды смогут имитировать естественные антиген- ные детерминанты интактных вирус- ных белков. Во-первых, оказалось, что НУКЛЕОТИДНАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ участка вирусной ДНК кодирует по- иммунный ответ на вирусный белок следовательность аминокислот белка вируса (а). Если известна последователь- при естественной инфекции направлен ность ДНК, можно предсказать аминокислотную последовательность и выбрать на небольшое число антигенных детер- из нее те короткие отрезки (пептиды), которые должны вызывать образование ан- минант, которые представляют собой тител. На рисунке б изображена химическая структура части пептида с рисунка а. не всю белковую молекулу, а лишь от- Остов полипептидной цепи построен из атомов углерода (С), азота (N), водорода (Н) и кислорода (О). Боковые цепи аминокислот (цветные) отходят от так называе- дельные ее участки. В частности, есть мых а-углеродных атомов. На полученных с помощью ЭВМ изображениях, кото- данные о том, что для иммуногенно- рые мы приводим в этой статье, молекула показана либо упрощенно, как остов из сти белка имеет значение лишь один не- а-углеродных атомов (черный цвет), либо с деталями на атомном уровне, но без большой участок на каждые 50 амино- атомов водорода (серый цвет). кислот. Во-вторых, большинство ан- тигенных детерминант, по-видимому, клеток (что и отражено в их названии). являются составными. Чтобы полу- чить пептид, заменяющий составную ДВА ГОДА назад мы бросили вызов этой пессимистической точке зре- Именно гемагглютининовые шипы су- ния. Мы решили синтезировать в виде щественны для индукции образования детерминанту, нужно синтезировать коротких фрагментов почти всю моле- антител против вируса гриппа. очень длинный отрезок белковой моле- кулу вирусного белка и выяснить, не Гемагглютинин вируса гриппа очень кулы; технически это возможно, но не- реагируют ли с целым белком антите- подходил для наших целей еще и пото- эффективно. Если бы и удалось синте- ла против этих пептидов. Для этой це- му, что У. Фирс и его коллеги (Гент- зировать длинный пептид, маловеро- ли мы избрали молекулу гемагглюти- ский университет, Бельгия) определи- ятно, что в отсутствие остальной части нина одного из штаммов вируса грип- ли нуклеотидную последовательность молекулы белка он свернется в «пра- па. Это гликопротеид (т.е. белок, к ко- гена, кодирующего гемагглютинин, и вильную» третичную структуру. Счи- торому присоединена углеводная по ней предсказали его аминокислот- талось, что боковые цепи отдельных цепь), он образует шипы на поверхно- ную последовательность, а А. Уилсон аминокислот короткого пептида не мо- сти сферической оболочки вируса. Ге- и Дж. Скехель (Национальный инсти- гут самопроизвольно сориентировать- магглютининовые шипы выполняют тут медицинских исследований, Лон- ся так, чтобы имитировать структуру важные функции. Они участвуют в свя- дон) с помощью рентгеноструктурно- даже относительно более простой не- зывании вируса с клеткой, а также вы- го анализа определили третичную прерывной детерминанты. зывают слипание красных кровяных структуру белка. Благодаря этому мы Strona 10 8 В МИРЕ НАУКИ -1983/№ 3 могли каждый синтезированный нами муся не в глубине свернутой молекулы гих вирусов. К счастью, зная только пептид соотносить с той или иной об- белка, а на ее поверхности, где антите- аминокислотную последовательность ластью вторичной и третичной струк- ла могут с ним контактировать. белка, можно предсказать, какие туры. Молекула гемагглютинина со- Есть несколько приемов, позволяю- участки будут располагаться на по- стоит из двух полипептидных цепей, щих определить, находится ли данный верхности молекулы. Большинство которые обозначают НА 1 и НА2\ пептид на поверхности белковой аминокислот либо гидрофильны (т.е. каждый гемагглютининовый шип со- глобулы — более строго, доступен ли притягивают воду), либо гидрофобны стоит из трех таких молекул. Главной пептид (или его часть) для молекул ан- (т.е. отталкивают воду). Гидрофоб- мишенью иммунной системы, по- тител в крови животного. Один из наи- ные аминокислоты обычно сокрыты видимому, является цепь НА 1, поэто- более точных методов заключается в в сердцевине белковой глобулы, а му мы начали с нее. том, что с помощью ЭВМ строят гра- гидрофильные — расположены на ее Мы синтезировали 20 пептидов, фическое изображение участков моле- поверхности. Наиболее гидрофильны суммарная длина которых составляла кулы белка, доступных для молекул четыре аминокислоты — лизин, арги- около 75% длины цепи НА 1; они дали растворителя (см. рисунок на с. 5). нин, аспарагиновая кислота и глутами- нам целый набор вторичных и третич- Сначала получают изображение иссле- новая кислота. Считается, что те ных структур. Затем каждый пептид дуемого пептида (с боковыми группа- участки молекулы белка, в которых присоединили к крупному белку- ми всех его аминокислот), причем этих аминокислот относительно мно- носителю и инъецировали кроликам. именно в той конформации, которую го, предпочитают водное окружение и Сыворотку от каждого кролика ис- он принимает в целом белке. Затем мо- поэтому располагаются на поверхно- следовали на присутствие в ней анти- делируют с помощью ЭВМ, как по по- сти. тел, способных связываться с данным верхности пептида будет катиться сфе- Как я уже отмечал, в наших экспери- пептидом, с гемагглютинином и с ра размером с молекулу воды. Сфера ментах получалось, что практически цельной вирусной частицей. Против проникает в углубления на поверхно- любой пептид с поверхности белка ви- всех 20 пептидов образовывались ан- сти молекулы везде, где ей это позво- руса гриппа вызывает образование ан- титела; 15 видов таких антител связы- ляет соотношение вандерваальсовых тител, способных реагировать с це- валось также с гемагглютинином и 17 радиусов молекулы воды и атомов бо- лым белком. Но разве может изолиро- видов — с вирусом гриппа. Другими ковых групп (вандерваальсов радиус ванный пептид принять ту же конфор- словами, пептид почти из любого примерно соответствует расстоянию, мацию, что и в целой, сложным обра- участка молекулы вирусного белка на котором еще действует электриче- зом свернутой молекуле белка? Не ис- может вызывать образование анти- ский заряд). В каждом месте контакта ключено, что правильная форма моле- тел, которые узнают целый белок как сферы с пептидом ставится точка; та- кулы складывается именно благодаря в очищенном виде, так и на поверхно- ким образом получается карта участ- отсутствию пространственных огра- сти вирусной частицы. Притом имму- ков пептида, доступных молекулам ничений. Пептид небольшого размера, ногенность нативного белка меньше растворителя. введенный в кровоток животного, на- потенциальной иммуногенности его Этот подход эффективен, но требует ходится в растворе, где ничто не меша- частей. По-видимому, требуется толь- детального, с атомным разрешением ет ему все время изменять свою фор- ко, чтобы синтезированный пептид со- знания структуры вируса и его белков, му, изгибаясь и закручиваясь. Сталки- ответствовал участку, располагающе- а такие данные есть лишь для немно- ваясь при этом с лимфоцитами, он вы- АНТИГЕННЫЕ ДЕТЕРМИНАНТЫ — это те участки на по- кислот (оранжевые). Непрерывная детерминанта верхности белковой молекулы, которые узнают антитела и с (слева) — это группа соседних в полипептидной цепи ами- которыми они связываются. На этом рисунке мы приводим нокислотных остатков. Составная детерминанта (справа) полученное с помощью ЭВМ изображение части полипеп- формируется из нескольких участков, удаленных друг от тидной цепи фермента лизоцима Желтая); показаны два ти- друга вдоль полипептидной цепи, но сближенных в про- па антигенных детерминант с боковыми группами амино- странстве благодаря третичной структуре белка. Strona 11 СИНТЕТИЧЕСКИЕ ВАКЦИНЫ 9 зывает образование антител против каждой конформации в отдельности. Одна из конформаций свободного пеп- тида точно совпадает с конформацией соответствующего участка в молекуле белка. (Интересно отметить, что во многих случаях короткие пептиды бо- лее эффективны в смысле образования антител против вирусного белка, чем сам этот белок в очищенном виде. Воз- можно, после выделения и очистки бе- лок приобретает конформацию, от- личную от той, которую он имел на поверхности вирусной частицы, где его окружали такие же молекулы.) ЕСЛИ ПРАКТИЧЕСКИ любой уча- сток поверхности молекулы вирус- ного белка может вызывать образова- ние антител против этого белка, зна- чит, можно конструировать вакцины, а не получать их в виде массы разноо- бразных антител, которые дает им- мунная система организма в ответ на введение целых вирусных частиц. Этой задачей занимается ряд лабораторий. Первая вакцина, которую мы разрабо- тали, была против ящура. Ящур — давний бич животных, в особенности крупного рогатого скота. Это заболе- вание до сих пор остается серьезной проблемой скотоводства практически МОЛЕКУЛА ГЕМАГГЛЮТИНИНА вируса гриппа состоит из двух полипептидных повсюду, за исключением Австралии и цепей: НА 1 (фиолетовая) и НА 2 (оранжевая). Трехмерная модель молекулы (слева) Северной Америки; ежегодно тратит- построена по данным рентгеноструктурного анализа, полученным А. Уилсоном и ся несколько миллиардов доз вакцины Д. Уили (Гарвардский университет) и Дж. Скехелем (Национальный институт ме- дицинских исследований, Лондон); показан лишь остов белка. Тример гемагглю- с убитым вирусом. Оболочка вируса тинина (справа) содержит три цепи НА 1 и три цепи НА 2. Тримеры образуют шипы ящура построена из 240 молекул бел- на сферической оболочке вирусной частицы. ков четырех типов —VP 1, VP2, КРЗ и КР4, по 60 молекул каждого типа. Пы- тались получить вакцину на основе белка VP 1, который считается главной Важно отметить, что в области тител против самих себя, и поставили мишенью антител. Однако оказалось, между 141-й и 160-й аминокислотами биопробу, чтобы посмотреть, нейтра- что у целого белка иммуногенность последовательности белка VP\ у раз- лизуют ли эти антитела вирус. Когда низкая. Поэтому в сотрудничестве с ных штаммов вируса заметно различа- мышам вместе с вирусом вводили ан- Ф. Брауном и Д . Роуландсом из Ин- ются. Вирусу нужно уметь ускользать тисыворотку кролика против пептида ститута по изучению вирусов живот- от действия иммунной системы хозяи- 141—160, она эффективно инактивиро- ных (Великобритания) мы начали экс- на достаточно долго, чтобы успеть за- вала вирус — с антисывороткой мыши перименты с целью синтезировать разить его клетки и дать потомство. получали так называемый пассивный фрагмент белка VP 1 более иммуноген- Для этого он постоянно изменяет ан- иммунитет. Существуют три основ- ный, чем целый белок. тигенные детерминанты на своей обо- ных штамма вируса ящура; мы рабо- Последовательность 213 аминокис- лочке, так что антитела, образовавши- тали с вирусом типа О. Антисыворот- лот белка VP\ уже была известна из еся ранее против исходного штамма, ка на штамм О нейтрализовала два нуклеотидной последовательности, но не могут связаться с измененной фор- других штамма гораздо хуже. Это детальная, с атомным разрешением, мой вируса и нейтрализовать ее. Гово- подтверждает представление о том, структура белка до сих пор не выясне- ря менее телеологическим языком, что изменения в определенном участке на. Однако оказалось достаточно про- естественный отбор позволяет вы- белка VP 1 позволяют вирусу избегать анализировать аминокислотную по- жить тому штамму вируса, в котором действия антител против другого следовательность, чтобы обратить благодаря мутации произошло имму- штамма. внимание на участок между 141-й ами- нологически значимое изменение. Ста- Главное требование ко всякой вакци- нокислотой и 160-й. В этом участке ло быть, последовательность для син- не заключается в том, что она должна очень много гидрофильных боковых тетической вакцины следует искать создавать не только пассивный, но и групп аргинина, лизина и аспарагино- именно в вариабельном участке моле- активный иммунитет, то есть индуци- вой кислоты, следовательно, он скорее кулы, мутации в котором меняют его ровать в организме образование соб- всего располагается на поверхности иммуноспецифичность. ственных антител на случай возмож- молекулы белка. В местах изломов по- Мы синтезировали несколько пепти- ного заражения таким же вирусом в липептидной цепи (излом, резкий из- дов белка VP 1 вируса ящура, в том будущем. Мы иммунизировали мор- гиб может вносить вклад в иммуноспе- числе и пептид с аминокислотами со ских свинок небольшими дозами цифичность молекулы) часто находит- 141-й по 160-ю. Каждый пептид присо- (200 мкг) синтетической вакцины и че- ся пролин, а между 141-й и 160-й ами- единили к молекуле белка-носителя и рез 35 дней ввели мощную дозу вируса, нокислотами как раз есть два остатка ввели кроликам. Мы убедились, что в 10 000 раз большую, чем достаточно пролина. пептиды индуцируют образование ан- для заражения половины животных в Strona 12 10 В МИРЕ НАУКИ -1983/№ 3 опытной группе. Ни одна из иммуни- достаточной для защиты от вирусного типов А и С несколько различаются). зированных морских свинок не заболе- заражения. Для практического приме- С этими пептидами были проделаны ла, а неиммунизированные заболели нения нужна, конечно, вакцина, кото- биопробы на мышах; опыты показа- все. Сейчас в Великобритании анало- рая защищает от всех трех штаммов ли, что они действительно защищают гичным путем исследуют активный вируса. Мы синтезировали пептиды, от вирусов типа А и типа С. По- иммунитет у крупного рогатого скота. соответствующие одному и тому же видимому, не за горами создание вак- Мы уже установили, что у скота, им- участку (141—160) белка VP 1 вирусов цины сразу против трех штаммов ви- мунизированного пептидом, выраба- типа А и вирусов типа С (аминокис- руса ящура. тываются антитела в концентрации, лотные последовательности вирусов Итак, в принципе мы можем осу- 1 2 3 4 5 ПЕПТИДЫ, общая длина которых составляет 75% длины НА 1 (<светло-синяя), молекула НА 2 (темно-синяя)\ в каждом молекулы НА 1, исследовали на способность вызывать об- случае мономер гемагглютинина повернут так, чтобы пеп- разование антител против самого пептида, против молекул тиды было лучше видно. Большинство этих пептидов вызы- гемагглютинина и против целых частиц вируса гриппа. На вало у кроликов образование антител, связывающихся с ви- рисунке изображены 10 из 20 изученных пептидов (желтые), русными частицами. их боковые группы (<оранжевые), остальная часть молекулы Strona 13 СИНТЕТИЧЕСКИЕ ВАКЦИНЫ 11 ществить все методические этапы от последовательности нуклеиновой кис- лоты до синтетической вакцины, те- перь настала пора изучить отдельные аспекты разработки вакцин более де- тально. В настоящее время ищут но- вые, более тонкие способы определе- ния тех участков вирусных белков, ко- торые наиболее чувствительны к дей- ствию антител; кроме того, необхо- димо добиться увеличения длительно- сти иммунитета. В МОЛЕКУЛАХ вирусных белков име- ются участки двух видов. В одних возможны вариации — это особенно важно, когда вирусу нужно ввести в заблуждение иммунную систему хозя- ина. Вакцина, которая индуцирует об- разование антител против такого участка (например, против полипеп- тидной цепи НА 1 вируса гриппа или против белка VP 1 вируса ящура), обычно иммуногенна, но для того, чтобы она была эффективна против каждого нового штамма, ее придется «подгонять». Участки другого типа КАРТА ПОВЕРХНОСТИ МОЛЕКУЛЫ ЛИЗОЦИМА, доступной растворителю, полу- выполняют какую-либо жизненно важ- чена с помощью метода, показанного на иллюстрации к с. 5. Цвет точки отражает ную функцию, присущую всем штам- природу аминокислоты: оснбвные аминокислоты лизин и аргинин оранжевые, мам вируса, и их структура неизменна. кислые аминокислоты аспарагиновая и глутаминовая зеленые, все остальные си- ние. Оснбвные и кислые аминокислоты наиболее гидрофильны (т.е. притягивают Аминокислотная последовательность воду). Видно, что они склонны располагаться на поверхности. Если детальная таких участков в высшей степени кон- структура белка неизвестна, можно просто принять, что пептиды, богатые гидро- сервативна, т.е. у всех штаммов дан- фильными аминокислотами, должны быть иммуногенными. ного вируса она практически одна и та же. Если такой участок доступен дей- ствию антител, вакцина, которая их бы антитела. Тогда, один раз перебо- зультаты уже многое обещают и по- индуцирует, будет универсальной — лев гриппом, человек или животное зволяют возлагать большие надежды от нее не сможет уберечься ни один приобретали бы иммунитет против на вакцины, в которых используются штамм вируса. всех вариантов вируса гриппа, и это за- консервативные участки молекул. Вирус гриппа недаром пользуется болевание просто исчезло бы. Мы ре- Итак, один из способов создания дурной славой: он ловко ускользает от шили выяснить, нельзя ли получить вакцины заключается в том, чтобы действия иммунной системы, изменяя антитела сразу против нескольких выбрать тот фрагмент белковой моле- поверхностные участки гемагглютини- штаммов вируса, используя для имму- кулы, который, по теоретическим со- на. Изменения затрагивают цепь НА 1 низации пептид из консервативного ображениям, может играть роль анти- (в опыте, о котором я рассказывал вы- участка. генной детерминанты и синтезировать ше, мы исследовали иммуногенность С. Александер, А. Александер и его. Есть и другой путь. Можно попы- пептидов именно из НА 1). Гемагглю- Н. Грин синтезировали несколько пеп- таться имитировать антигенные де- тинин, однако, выполняет еще по тидов из начального участка полипеп- терминанты, которые уже известны из меньшей мере две неизменные функ- тидной цепи НА 2 вируса гриппа типа эпидемиологии серологических форм. ции. Во-первых, на поверхности его А подтипа Н 3 . При тестировании в В серологии вирусы классифицируют- молекулы имеется впадина, в которой культуре клеток антисыворотки кро- ся по свойствам антител, которые они связывается сиаловая кислота — ком- ликов, полученные против этих пепти- индуцируют. Серологические исследо- понент клеточной стенки; с этого и на- дов, эффективно инактивировали ви- вания позволяют выявить различные чинается инфекционный процесс. Во- рус А, Н 3 . Следовательно, даже если типы и подтипы вирусов; о некоторых вторых, гемагглютинин вызывает начальный участок цепи НА2 в норме и из них я упоминал, рассказывая о виру- слияние мембран зараженных клеток, не является иммуногенным, он досту- сах ящура и гриппа. что увеличивает инфекционность виру- пен специфическим антителам. Более Чтобы определить тип вируса, нуж- са. П. Чоппин и его коллеги из Рок- того, эти же антисыворотки инактиви- ны длительные исследования. Вирус, феллеровского университета и М. Уо- ровали вирусы других подтипов и да- вызывающий данное заболевание, вы- терфилд из Государственного фонда же другого типа (а именно вирус грип- деляют из организмов больных людей по изучению рака получили данные, па В). Антитела против целой вирус- или животных в разных районах и в позволяющие предполагать, что кон- ной частицы подтипа Н 3 , напротив, не разное время. Антитела из крови боль- сервативный участок в начале цепи инактивировали вирусы других подти- ных испытывают против набора виру- НА2 ответствен за слияние мембран пов. И конечно, животные, иммуни- сов; разные антитела реагируют с раз- или по меньшей мере участвует в нем. зированные целым вирусом гриппа ными штаммами вируса, поскольку Обычно иммунная система, так ска- какого-либо одного подтипа, не стано- они «узнают» разные антигенные де- зать, не замечает этого участка; при вились устойчивыми к заражению ви- терминанты. На основании особенно- нормальной инфекции антител против русами других подтипов. Прежде чем стей взаимодействия антител с различ- него не образуется. Если бы консерва- говорить о практическом применении ными вирусами из этого набора имму- тивные участки были в норме иммуно- анти-//>4 2-антител, нужно исследо- нологи могут серологически описать генными, против них образовывались вать их более подробно, но первые ре- данный тип вируса с точки зрения ан- Strona 14 12 В МИРЕ НАУКИ•1983/№ 4 тигенных детерминант и определить, этому трудно было предположить, если эта структура составная. Мы ре- какие детерминанты «работали» у что данные по эпидемиологии сероло- шили попытаться получить вакцину данного больного или во время кон- гических типов окажутся полезными против одного из заболеваний пече- кретной эпидемии. Однако до недавне- при конструировании вакцин. Конеч- ни — гепатита В, — синтезировав го времени детерминанты оставались но, возможна ситуация, когда синте- пептиды, эквивалентные уже извест- абстрактными маркерами, их обозна- тический пептид не может имитиро- ным серологическим детерминан- чали буквами или цифрами, а о моле- вать структуру, отвечающую данному там, характерным для разных типов кулярной природе ничего не знали. По- серологическому маркеру: например, вируса. Т> СЛУЧАЕ гепатита В главной ми- ^ шенью антител, т.е. поверхност- ным антигеном вируса, служит, по- видимому, белок оболочки вирусной частицы. Серологические исследова- ния показывают, что у разных штам- мов вируса гепатита В есть одна общая детерминанта, ее обозначают а. Каж- дый штамм имеет еще две детерми- нанты: d (или альтернативную ей у) и w (или альтернативную ей г). Это зна- чит, что возможны четыре типа виру- са: adw, ayw, adr и ayг. В сотрудничест- ве с Дж. Герином (Медицинская школа Джорджтаунского университета) и Р. Перселлом (Национальный инсти- тут аллергии и инфекционных заболе- ваний) мы задались целью синтезиро- вать пептиды, которые бы индуциро- вали образование антител против де- терминант d и у. Молекула поверх- ностного антигена вируса гепатита В состоит из 226 аминокислот, т.е. до- вольно велика, поэтому нужны были какие-то указания, откуда начать по- иск. Аминокислотная последователь- ность антигена была проанализирова- на для трех штаммов вируса. Оказа- лось, что существенные различия есть только в одном месте — между 110-й аминокислотой и 140-й. Различие меж- ду детерминантами всегда обусловле- но различиями в последовательностях аминокислот, стало быть, нужные нам пептиды следовало искать именно ^ ^ в этом участке. Мы синтезировали несколько пепти- дов, которые вместе соответствовали участку 110—140, и получили антитела против каждого из них. Один пептид из 13 аминокислот (со 125-й по 137-ю) индуцировал образование антител, ко- торые связывались только с вирусами, несущими детерминанту у. Это озна- чало, что детерминанта у и альтерна- тивная ей детерминанта d должны входить в пептид 125—137. Синтезиро- вав у, мы получали возможность син- тезировать и d по уже известной нам последовательности участка 125—137 СИНТЕТИЧЕСКИЙ ПЕПТИД вводят кролику (7), чтобы выяснить, вызывает ли он у другого вируса. Мы выбрали после- образование антител. Сыворотку от кролика (2) сначала исследуют на присутст- довательность, которая отличалась от вие антител против введенного пептида (3), против целого вирусного белка (4) и предыдущей всего тремя аминокисло- против интактной вирусной частицы (5). О связывании антипептидных антител тами: на месте двух остатков треонина (цветные) судят по активности фермента, «пришитого» ко вторым антителам (чер- и остатка тирозина в ней стояли соот- ные), которые получены против антипептидных антител. Чтобы определить спо- ветственно пролин, аспарагин и фенил- собность антипептидных антител нейтрализовать вирус, т.е. создавать пассив- аланин. Антитела против этого пеп- ный иммунитет, мышам одновременно вводят вирус и антисыворотку (6): если тида связывались только с вирусами, мышь не заболевает, это означает, что вирус нейтрализован. Чтобы определить способность синтетического пептида служить вакциной, создающей активный несущими детерминанту d. иммунитет, морским свинкам вводят пептид (7), а затем вирус (S). Если животное Возможно, различие между детер- выживает (неиммунизированные контрольные животные гибнут), это доказывает минантами у и d определяется менее эффективность вакцины. чем тремя заменами аминокислот. Strona 15 СИНТЕТИЧЕСКИЕ ВАКЦИНЫ 13 Сколько замен необходимо и доста- тут Пастера) и Р. Арнон и М. Села белка, можно определить его актив- точно, мы выясним, получив пептиды (Вейсмановский институт). Им уда- ный центр (или центры) и соотнести только с одной из трех замен. Пока лось получить антитела, обеспечиваю- функции белка с конкретными структу- что можно сделать два вывода. Во- щие пассивный иммунитет к дифте- рами. Многие пептидные гормоны первых, различия между разными рийному токсину. Они синтезировали синтезируются первоначально в виде штаммами одного и того же вируса три пептида, соответствующих участ- длинных полипептидных цепей, кото- определяются очень небольшими из- кам молекулы токсина. Прежде чем рые затем расщепляются специальны- менениями в аминокислотном составе вводить синтетический пептид в орга- ми ферментами на более мелкие моле- белка. Во-вторых, синтетические пеп- низм, нужно соединить его с белком- кулы, каждая из которых представля- тиды имитируют особенности, выяв- носителем. (В наших опытах носите- ет собой отдельный гормон со специ- ляющиеся в серологических исследова- лем служил гемоцианин — дыхатель- фической активностью. Антипептид- ниях, следовательно, при разработке ный фермент моллюска из семейства ные антитела позволят разобраться в синтетических вакцин можно будет Fissurellidae; этот белок часто исполь- такой смеси и поставить в соответст- воспользоваться данными серологии. зуют для такой цели.) Одибер, Шедид, вие отдельные гормональные активно- Будем надеяться, что это даст возмож- Арнон и Села предложили комбина- сти с конкретными пептидами. Нако- ность справляться с неожиданными цию из белка-носителя и адъюванта. нец, используя антитела с заранее из- эпидемиями, вызванными мутантны- Они присоединили синтезированные вестной специфичностью, можно вы- ми штаммами уже известных вирусов. пептиды дифтерийного токсина к но- яснить, какая часть гена когда экспре- Чтобы синтетические вакцины мо- сителю, а носитель — к препарату ссируется. В генах млекопитающих ко- гли заменить обычные вакцины, необ- мембран микобактерий. Мембраны дирующие участки (экзоны) прерыва- ходимо научиться повышать уровень играли роль адъюванта и сильно уве- ются некодирующими, так называе- иммунитета, который они вызывают, личивали иммуногенность пептидов. мыми вкрапленными чередующимися и продлевать его. Как я уже упоминал, последовательностями (нитронами). В ослабленные вирусы удобны тем, что УЖЕ говорил, что антитела против генах вариабельных белков в разное сохраняют способность размножаться Япептидов наверняка найдут приме- время экспрессируются разные экзо- ны. Например, при иммунном ответе и, таким образом, все время поставля- нение как инструменты исследования. ют антиген для иммунной системы ор- В первую очередь они пригодятся для последовательно образуются разные ганизма, которая в результате выраба- выявления и идентификации бел- формы антител. Теперь мы можем тывает все больше и больше антител. ков — продуктов изучаемых генов. синтезировать пептиды, соответству- Синтетический пептид, как и убитый Мы достигли большой точности в по- ющие отдельным экзонам, получить вирус, не размножается, поэтому к лучении рекомбинантных ДНК и уме- против них антитела и определить, ка- вакцине приходится добавлять так на- ем определять последовательности ну- кой экзон функционирует на каждой зываемые адъюванты — они повыша- клеиновых кислот, поэтому часто стадии иммунного ответа. ют уровень иммунитета и увеличива- складывается такая ситуация, когда ют его длительность. полная последовательность гена, ко- Один из наиболее эффективных дирующего какой-то белок, известна, а адъювантов — адъювант Фрейнда — сам белок не найден и его нужно обна- представляет собой эмульсию из мине- ружить. По последовательности ДНК рального масла и воды, смешанную с и РНК можно предсказать аминокис- убитыми микобактериями (к микобак- териям относится, в частности, возбу- лотную последовательность искомого белка. Если затем выбрать в ней не- МИР дитель туберкулеза). Механизм его дей- ствия неизвестен: предполагают, что большой участок и синтезировать та- кой же пептид, антитела против этого тфедлтает: адъюванты действуют двояко. Эмуль- пептида послужат специфической про- сия, вероятно, служит как бы ловуш- бой для обнаружения данного белка. Д. Кнут кой антигена, создавая своего рода де- ИСКУССТВО Например, таким способом были по, из которого антиген медленно вы- идентифицированы белки, кодируе- ПРОГРАММИРОВАНИЯ свобождается, что имитирует посто- мые некоторыми онкогенами (онкоге- ДЛЯ Э В М янный синтез антигена реплицирую- ны — это гены некоторых вирусов, Том 3 щимся вирусом. Убитые бактерии индуцирующие образование опухо- Сортировка и поиск привлекают к этому депо различные лей). Определили и локализацию онко- Перевод с английского клетки, участвующие в иммунном от- белков в клетке. Третий том известной моногра- вете. Однако скопление таких клеток Отличительная черта антипептид- фии одного из крупнейших аме- неизбежно вызывает раздражение в риканских специалистов по про- ных антител — их заранее известная граммированию Д. Кнута (пер- месте инъекции и даже абсцесс. Мощ- специфичность. Они представляют со- вый том вышел в издательстве ные адъюванты типа адъюванта бой антитела не против всего белка, а «Мир» в 1976 г., второй — в 1977 Фрейнда нельзя вводить челове- против определенной известной экспе- г.) состоит из двух частей: «Сор- ку — вместо них в вакцины с убитыми риментатору его части. Образовавши- тировка» и «Поиск». В них по- вирусами добавляют квасцы или гид- еся в клетках иммунной системы лабо- дробно исследуются различные роокись алюминия. Антиген адсорби- раторного животного антитела можно алгоритмы внутренней и внеш- руется на частицах гидроокиси алюми- легко очистить, пропустив один раз че- ней сортировки, изучаются мето- ния, а в организме начинает постепен- рез колонку с иммуносорбентом. С по- ды поиска информации в табли- но освобождаться. По-видимому, для мощью антител удобно исследовать цах на основе сравнения или пре- некоторых синтетических вакцин квас- образования ключей, даются детали структуры белков, а также вза- оценки эффективности предла- цы вполне подойдут, но в большинст- имосвязь структуры и функций. На- гаемых алгоритмов. ве случаев потребуется что-то более пример, антитела против какого-то 1978, 64,53 л. Цена 4 р. 80 к. эффективное. Сейчас многие исследо- определенного участка молекулы бел- ватели работают над созданием эф- ка, связываясь только с такими участ- фективных и безопасных адъювантов. ками, будут избирательно подавлять Обнадеживающих результатов до- их функцию; имея набор антител про- стигли Ф. Одибер и Л. Шедид (Инсти- тив различных участков исследуемого Strona 16 структуру самих ячеек. К. Мид из Ка- лифорнийского технологического ин- ститута и Л. Конуэй из Научно- Кремниевые мастерские некоторые типы интегральных схем и исследовательского центра Xerox в получать нужные характеристики. Од- Пало-Альто разработали конструк- ПЕЦИАЛИСТ фирмы Intel тивный подход к созданию специали- СCorporation Г. Мур отмечает, что ним из таких микроэлектронных уст- ройств, изготовленных по такой тех- зированных интегральных схем, кото- для развития микроэлектроники харак- нологии, является «вентильная матри- рый полностью устраняет зависи- терны две закономерности — ежегод- ца» — чип, на котором несколько ты- мость системного разработчика от ное увеличение в два раза количества сяч логических элементов (комбинаций фирм-изготовителей. На его основе схемных элементов в одном кремние- схемных элементов, выполняющих САПР смогут рассчитывать всю схем- вом чипе и пропорциональная зависи- простейшие логические функции) сое- ную компоновку каждого чипа, а не мость стоимости разработки микро- динены рядами в строго определенном выбирать из банка данных готовые схем от их сложности. Например, на порядке. Сами матрицы во всех чипах схемные блоки. разработку большой интегральной одни и те же, но конфигурация кон- Такие автоматизированные системы схемы, выполняющей функции микро- тактных металлических слоев, которая Мид называет кремниевыми компиля- процессора и содержащей более 450 определяет схему соединения матриц, торами по аналогии с компилятором- тыс. элементов, требуется не менее у разных чипов разная. Разработчик программой, которая использует ма- двух лет. Стоимость конструирования системы выбирает чип с нужной ему шинный язык высокого уровня. Крем- такого устройства может превышать схемой межсоединений. ниевый компилятор принимает опре- производственные затраты на изго- Около 40 компаний уже производят деление функции конструируемого уст- товление всей партии чипов данной такие вентильные матрицы. Некото- ройства, выраженное на языке высоко- модели. рые из них выпускают САПР, которые го уровня, и автоматически преобразу- Рост стоимости конструкторской помогают разработать схему соедине- ет его в топологию чипа в стандарт- разработки интегральных схем привел ний, обеспечивающих наиболее эффек- ном формате почти так же, как компи- к появлению новых, более производи- тивное использование функциональ- лятор машинного языка транслирует тельных способов их создания. Для ных возможностей каждого чипа. Ти- программы, представленные в терми- этих целей, кроме того, широко стали пичная САПР имеет библиотеку дан- нах процедурно-ориентированного внедряться системы автоматизирован- ных для соединения элементарных языка, в команды, выполняемые ного проектирования на базе ЭВМ электронных логических ключей. Раз- компьютером. Несколько университе- (САПР), которые избавили разработ- работчик вводит в САПР описание ло- тов уже разработали такие кремние- чика от выполнения малопроизводи- гических функций проектируемого уст- вые компиляторы, и вскоре появятся тельных операций. Эти нововведения ройства, и система переводит это опи- первые промышленные образцы. могут оказать существенное влияние сание в топологию межсоединений. Кремниевый компилятор позволяет на промышленное производство мик- Топология служит основой для изго- многим инженерам создавать инте- роэлектронной продукции. Разработ- товления фотошаблона, который по- гральные схемы с параметрами, отве- чики систем, которые в настоящее вре- зволяет получить металлические слои. чающими их индивидуальным требо- мя создают электронное оборудование Итак, вентильная матрица состоит ваниям. В результате, как отмечает из готовых чипов, поставляемых фир- из логических элементов. Составными Мид, получат развитие промышлен- мами, специализирующимися на выпу- блоками других микросхем полузаказ- ные предприятия нового типа — крем- ске полупроводниковой продукции, те- ной технологии, называемых стан- ниевые мастерские. Они будут выпу- перь, возможно, сами станут констру- дартными ячейками, являются логиче- скать только чипы, а схемную часть ировать нужные им интегральные схе- ские элементы, запоминающие уст- будут разрабатывать сами потребите- мы. ройства и центральные процессоры. ли, подобно тому как это делается с В настоящее время специальное на- Восемь фирм, специализирующиеся на литейными заготовками из металлов, значение электронных систем в основ- производстве полупроводниковой про- обработку которых осуществляют по- ном определяется программными дукции, уже поставляют в продажу требители. средствами. Обычное электронное кристаллы с набором стандартных Специализируясь на производстве устройство состоит из нескольких про- ячеек. Изготовители указывают функ- разнообразных чипов малых объемов, граммируемых чипов большой степени ции каждой ячейки и ее технические ха- кремниевые мастерские смогут конку- интеграции, таких, как микропроцес- рактеристики, такие, как, например, рировать с изготовителями микросхем соры и запоминающие устройства, и время прохождения сигнала. С по- массового производства, выпускаю- нескольких более простых чипов, необ- мощью САПР разработчик может щими готовые схемы на чипах относи- ходимых для обслуживания сложных комбинировать различные стандарт- тельно больших объемов и ограничен- устройств; все эти узлы собираются ные ячейки на одном чипе. Он разбива- ной номенклатуры. Некоторые фир- вместе и монтируются на печатной ет систему на блоки, функционально мы — изготовители полупроводнико- плате. Разработчик системы приспо- соответствующие ячейкам, и составля- вой продукции уже создают кремние- сабливает ее для определенных задач ет так называемые сетевые специфика- вые мастерские. Они будут совмещать путем подбора входящих в систему ции, в которых перечислены ячейки и изготовление чипов, ориентированных компонентов и схемы их взаимного со- указано, как они должны соединяться. на последующую разработку схем по- единения, но функции системы опреде- САПР сама размещает эти ячейки и требителями, с производством микро- ляются главным образом программи- рассчитывает оптимальную схему схем собственной конструкции. По- рованием микропроцессоров и блоков межсоединений. В конечном итоге си- скольку кремниевые компиляторы и памяти. Единственное, чего не в силах стема выдает данные, по которым за- кремниевые мастерские позволяют по- сделать разработчик, — это изменить тем формируются все слои чипа. лучать более дешевые микросхемы с внутреннюю структуру микросхемы. Стандартные ячейки позволяют раз- заданными параметрами, электрон- В последние пять лет появился ряд работчику при конструировании мик- ные системы для различных целей и новых подходов в технологии микро- росхем пользоваться большей свобо- областей применения можно будет со- схем, называемых «полузаказными», дой, чем вентильные матрицы, но и в здавать на одном чипе, а не собирать которые дают возможность систем- этом случае он все же лишен возмож- их из печатных плат с болыцим числом ным разработчикам «дорабатывать» ности вмешаться во внутреннюю чипов. 14 Strona 17 Оптический компьютер Один триллион (1012) операций в секунду — таково быстродействие оптической вычислительной машины, в которой вместо электрических токов будут использоваться световые лучи. Уже создан основной элемент такой машины — оптический аналог транзистора АЙТЕН Э Й Б Р Э Х Э М , КОЛИН Т . С И Т О Н И С. ДЕЗМОН СМИТ А ПОСЛЕДНИЕ 40 лет развитие сколько замедляется свет при прохож- схемы удастся освоить в промышлен- З цифровых вычислительных ма- шин было настолько тесно связа- но с прогрессом электроники, что их, дении через это вещество. Можно так подобрать свойства кристаллического вещества и длину волны лазерного из- ности. Тем не менее оптический компьютер является заманчивой перс- пективой относительно недалекого бу- по существу, стали считать электрон- лучения, что даже при незначительном дущего. ными устройствами. В действительно- изменении интенсивности светового сти же вычислительная машина может луча лазера на входе она будет сущест- Функции переключателя выполнять логические и арифметиче- венно изменяться на выходе. Создан- ские операции самыми различными способами. В середине 70-х годов поя- ные нами экспериментальные уст- ройства имеют время переключения, В НАСТОЯЩЕЕ время все три основ- ные функции вычислительной ма- вилась идея о потенциальной возмож- приближающееся к нескольким пикосе- шины: выполнение арифметических ности создания вычислительного уст- кундам. действий и логических операций, а так- ройства, в котором электрические то- Оптические транзисторы позволят же запоминание информации — осу- ки можно заменить световыми лучами создавать вычислительные машины, ществляются с помощью устройств, лазеров. Реализация такой идеи весьма которые будут обрабатывать инфор- имеюших два устойчивых состояния. заманчива: быстродействие оптичес- мацию почти так же, как эт<? делают При выполнении арифметических дей- кой вычислительной машины почти в современные электронные компьюте- ствий одно из этих состояний соот- 1000 раз будет выше по сравнению с ры, но значительно быстрее. В отда- ветствует цифре 0, а второе — 1 в дво- электронным компьютером. ленном же будущем оптические тран- ичной системе счисления. В логических Основными элементами любой ци- зисторы сделают структуру вычисли- процедурах одно из состояний пере- фровой вычислительной машины явля- тельных машин принципиально иной. ключателя принимается за истинное ются переключающие устройства, ко- В отличие от электронного транзисто- суждение, а другое — за ложное. Ре- торые могут принимать одно из двух ра, который в каждый момент време- зультаты арифметических и логиче- устойчивых состояний. Предельная ни работает лишь с одним сигналом, ских операций хранятся в памяти ма- скорость вычислительных операций в его оптический аналог может одновре- шины, элементы которой могут при- машине, помимо прочих факторов, менно осуществлять большое число нимать одно из двух устойчивых со- определяется временем перехода пере- переключающих действий при исполь- стояний. ключающего устройства из одного со- зовании параллельных лазерных пуч- Используя двоичную алгебраиче- стояния в другое. В электронных вы- ков. Более того, кристаллы, с которы- скую логику, вычислительная машина числительных машинах роль переклю- ми мы работаем в настоящее время, определяет истинность суждений с по- чающих устройств выполняют транзи- могут выполнять несколько последо- мощью всего трех элементарных логи- сторы, но даже самый быстродейству- вательных переключений, сопрово- ческих функций, которые именуют ющий современный транзистор не ждающихся ступенчатым увеличением функцией И, функцией ИЛИ и функци- может изменить свое состояние менее мощности на выходе при ступенчатом ей НЕ. При выполнении функции И ут- чем за одну наносекунду (миллиард- увеличении мощности падающего пуч- верждение является истинным, если ную долю секунды). Время переключе- ка, тогда как электронные транзисто- все его составляющие элементы истин- ния оптического устройства, аналогич- ры, которые используются в совре- ны. При выполнении функции ИЛИ ного транзистору, составляет всего менных ЭВМ, имеют всего два уровня утверждение считается истинным, ес- одну пикосекунду (тысячную часть выходного сигнала. Применение уст- ли хотя бы один его элемент истинен. миллиардной доли секунды). ройств, имеющих более двух устойчи- При выполнении функции НЕ истин- Авторы статьи создали экспери- вых состояний, может принципиально ное значение заключается в обратном ментальный вариант оптического преобразовать машинную логику. утверждении. Эти три основные логи- транзистора, переключающегося при Для построения оптического ческие функции позволяют реализо- небольшом изменении интенсивности компьютера помимо оптического вать более сложные логические опера- падающего на него лазерного луча. В транзистора нужны будут и другие ции, а также арифметические дейст- основе оптического транзистора, ко- схемные элементы. В нашей лаборато- вия, например сложение. торый мы называем трансфазором, рии в Университете Эрио-Уатта мы Таким образом, для создания вы- лежит свойство некоторых кристаллов демонстрировали многие эксперимен- числительной машины требуются уст- изменять показатель преломления при тальные элементы, необходимые для ройства, способные в физической фор- увеличении интенсивности падающего оптических интегральных схем. Одна- ме реализовать значения 0 и 1 или «ис- на них света. Как известно, показатель ко предстоит преодолеть немалые тех- тинно» и «ложно» и из которых мож- преломления вещества показывает, на- нические трудности, прежде чем такие но строить более сложные блоки для 15 Strona 18 16 В МИРЕ НАУКИ•1983/№ 4 предел. Сократить время переключе- ния можно за счет уменьшения толщи- ПАДАЮЩИЙ ны базы, но и ее можно уменьшить до ПУЧОК определенного предела. По-видимому, ПРЯМОЙ ПУЧОК ПРОШЕДШИЙ этот предел уже достигнут, и поэтому ПУЧОК всякие незначительные усовершенство- \ вания конструкции транзисторов уже не могут привести к существенному со- кращению времени переключения; для этого требуется переход к принципи- ОБРАТНЫЙ ПУЧОК ально новой технологии. ОТРАЖЕННЫЙ Одна их таких возможностей — ПУЧОК отказ от электрического тока как средства передачи информации в цепях Ч/ вычислительной системы и замена его ПОЛУПРОЗРАЧНОЕ РЕЗОНАТОР ПОЛУПРОЗРАЧНОЕ ЗЕРКАЛО сигналами иной природы. Наивысшей ЗЕРКАЛО скоростью обладает свет (или электро- магнитное излучение, если речь идет о СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА ФАБРИ — ПЕРО, послу- других частях спектра), и поэтому он жившего основой для оптических переключающих устройств, сконструирован- является наилучшим кандидатом на ных авторами. Интерферометр имеет два плоских зеркала, расположенных па- роль нового носителя информации. раллельно и разделенных некоторым пространством. В это пространство, именуе- Имея это в виду, мы использовали ко- мое резонатором, помещается прозрачное вещество. Каждое зеркало частично от- ражает и частично пропускает падающий на него свет. Если пучок света напра- герентное излучение лазера для управ- вить на переднее зеркало, часть его отразится, а часть пройдет внутрь резонато- ления работой переключающих уст- ра. Прошедший «прямой* пучок распространяется вдоль резонатора и падает на ройств, обладающих многими свойст- заднее зеркало. Часть света выходит из устройства, а часть отражается, образуя вами транзистора. Эти оптические «обратный» пучок. Пропускание интерферометра зависит от длины резонатора, ключи имеют два хорошо различимых свойств заполняющего его вещества и длины световой волны. В оптическом пере- выходных состояния; они могут слу- ключателе вещество, заполняющее резонатор, обладает свойствами, позволяющи- жить элементами памяти и при соот- ми регулировать пропускание изменением интенсивности падающего пучка. ветствующем выборе материала и ла- зерных пучков позволяют строить выполнения трех указанных логиче- коллектор, можно принять за 1, а простые и быстродействующие логи- ских функций. Очевидно, такое устрой- меньший ток — за 0. Транзисторы в ческие схемы. ство должно иметь два четко различи- комбинации с другими элементами При создании оптического транзи- мых состояния. Чтобы создать быст- схем позволяют создать структуры, стора была заимствована гениальная родействующую машину, время пере- выполняющие функции И, ИЛИ и НЕ. идея, заложенная в широко распро- ключения устройства из одного состо- Такие структуры именуются логиче- страненном оптическом устройстве, яния в другое должно быть как можно скими схемами. Так, схема, реализую- известном под названием интерферо- меньше. В силу других соображений щая функцию И, имеет на выходе метра Фабри — Перо, изобретенном желательно, чтобы переключатель большой ток, если все входные сигна- французскими физиками Чарльзом Фа- имел как можно меньшие размеры, лы велики. Схема ИЛИ дает большой бри и Альфредом Перо в 1896 г. Фабри был прост в производстве и потреблял ток, если хотя бы один из входных сиг- и Перо использовали свой интерферо- минимальную мощность. налов велик. Схема НЕ имеет на выхо- метр для измерения длин волн различ- Первым электронным переключа- де большой ток при малом сигнале на ных цветов света; впоследствии этот телем была вакуумная лампа — входе и малый ток при большом значе- прибор широко использовался для са- громоздкий и инерционный прибор, нии входного сигнала. мых различных целей. Простейший выделявший при работе значительное интерферометр Фабри — Перо состо- количество тепла, что сокращало срок Ограничения транзистора ит из двух плоских зеркал, располо- его службы. В результате ламповые женных параллельно друг другу и раз- вычислительные машины имели боль- ЗАВИСИМОСТИ от размеров, мате- деленных некоторым пространством. шие физические размеры, но малую вычислительную мощность. В более В риала, конструкции и мощности по- лупроводниковые логические схемы В это пространство, именуемое полос- тью или резонатором, помещается ве- мощных машинах приходилось непре- срабатывают за время от 1 не до 1000 щество, пропускающее свет опреде- рывно заменять выходящие из строя не, то есть в идеальном случае самые ленной длины волны. лампы. быстродействующие схемы могут вы- Каждое из зеркал частично отража- Изобретение транзистора в 1947 г. полнять до миллиарда логических опе- ет и частично пропускает падающий на позволило создать более компактный, раций в секунду. Однако на практике него свет. Такие частично отражаю- быстрый и эффективный переключа- быстродействие вычислительных ма- щие зеркала, именуемые обычно полу- тель. В простейшем виде транзистор шин значительно ниже. Руководству- прозрачными, встречаются повсюду. представляет собой трехслойную ясь физическими законами, которым Обычное стекло витрины, например, структуру из полупроводниковых ма- подчиняются процессы, происходящие яляется таким зеркалом: оно отражает териалов. Внешние слои в этой струк- в полупроводниковых приборах, мож- свет и дает изображение стоящего пе- туре называются эмиттером и коллек- но утверждать, что достигнутое к на- ред ним наблюдателя, и в то же время тором, а средний слой — базой. стоящему времени минимальное время оно пропускает свет, позволяя видеть Электрические свойства слоев подоб- переключения транзисторных схем по- товары, находящиеся за стеклом. От- раны таким образом, что незначитель- рядка 1 не близко к пределу. четливость, с которой мы видим свое ное изменение тока, протекающего от Чтобы транзистор переключался отражение в стекле и предметы за базы к коллектору, вызывает сущест- из одного состояния в другое, необхо- ним, зависит от того, в какой пропо- венное изменение тока от эмиттера к димо, чтобы поток электронов пересек рции падающий свет разделяется на коллектору. базу. Однако скорость передвижения отраженный и прошедший. Большой ток, протекающий через электронов в полупроводнике имеет Забудем на время о веществе, запо- Strona 19 ОПТИЧЕСКИЙ КОМПЬЮТЕР 17 лняющем резонатор интерферометра, пучки совместно с многократно отра- модействие только двух из них: прямо- и рассмотрим, что произойдет, когда женными и ослабленными пучками го и обратного. Результат взаимо- пучок света падает на зеркало, образу- можно рассматривать как волны, рас- действия зависит от соотношения фаз ющее переднюю стенку интерферомет- пространяющиеся в резонаторе. Вход- волн, то есть от относительного поло- ра. Допустим, зеркало отражает 90 % ной пучок падает на интерферометр жения их вершин и впадин. Если вер- падающего света и пропускает 10 % перпендикулярно его поверхности, и шины одной волны совпадают с вер- (такое соотношение весьма близко к поэтому все пучки в резонаторе рас- шинами другой волны, а впадины — с условиям нашего эксперимента), поэ- пространяются по одному и тому же впадинами, то в резонаторе наблюда- тому лишь десятая часть световой пути. ется конструктивная интерференция (с энергии проникает внутрь интерферо- Помня о том, что в резонаторе взаимным усилением волн). И наобо- метра и распространяется вдоль резо- имеется много отраженных пучков, рот, если вершины одной волны совпа- натора к заднему зеркалу, образуя мы все же можем рассматривать взаи- дают с впадинами другой, то наблюда- «прямой» пучок. Заднее зеркало обла- дает теми же свойствами, что и перед- нее. Поэтому 90 °7о прямого пучка от- разится от заднего зеркала обратно в ПАДАЮЩИЙ резонатор, образуя «обратный» пу- ПУЧОК = 100 чок, а 10 Щ выйдет из интерферомет- ра. Так как интенсивность прямого пучка в десять раз слабее входного па- дающего пучка, то выходной пучок, прошедший через интерферометр, бу- дет иметь интенсивность, в 100 раз меньшую по сравнению с интенсив- ностью входного пучка. Понятно, что ОТРАЖЕННЫЙ обратный пучок, двигаясь в обратном ПУЧОК = 90 направлении, дойдет до внутренней поверхности переднего зеркала, где снова разделится на прошедшую и от- раженную части. Ослабленный пучок, многократно отражаясь от зеркал ре- ПРЯМОЙ ПУЧОК РЕЗУЛЬТИРУЮЩАЯ зонатора, будет становиться все сла- ВОЛНА 100 бее и слабее до тех пор, пока весь свет ПРОШЕДШИЙ не выйдет из интерферометра. Каж- ПУЧОК < 1 дый проход пучка вносит определен- ный вклад в выходной пучок, однако, > за исключением первого, эти вклады чрезвычайно малы: можно считать, что через интерферометр проходит лишь сотая часть входного пучка. Интерференция в резонаторе ЕСЛИ БЫ физические процессы в ин- терферометре исчерпывались теми ПРОШЕДШИЙ ПУЧОК = 100 явлениями, о которых шла речь, то это устройство не представляло бы инте- реса в качестве переключателя для оп- — > тического компьютера. Интенсив- ность выходного пучка в данном слу- чае можно увеличить только путем из- менения свойств зеркал. Однако мы не учли одного обстоятельства. В дейст- вительности прямой и обратный пучки нельзя разделить так, как это сделано в нашем схематическом описании. В ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ прямого и обратного пучков в резонаторе Фабри — Перо силь- настоящем интерферометре взаимо- но влияет на интенсивность светового поля в нем и, следовательно, на пропуска- ние. Переднее и заднее зеркала отражают 90% и пропускают 10% падающего све- действие прямых и обратных пучков та. Соотношение интенсивностей пучков показано на верхнем рисунке. 10% пада- влияет на интенсивность светового по- ющего пучка проникает в резонатор, достигает пбверхности заднего зеркала и вы- ля в резонаторе, которое в свою оче- ходит из резонатора. Интенсивность на выходе составляет 1% интенсивности редь определяет пропускание интерфе- входного пучка, а интенсивность обратного пучка равна 9% входного пучка. Пря- рометра. мой и обратный пучки взаимодействуют, образуя результирующую волну. Она Хорошо известно, что свет облада- может быть ослабленной при интерференции с взаимным ослаблением волн ет свойствами как волны, так и части- (средний рисунок). Интенсивность света в резонаторе при этом мала и пропуска- ние составляет менее 1 %. Если обе волны усиливают друг друга, то результирую- цы. В одних случаях удобнее пользо- щая волна велика (нижний рисунок). Так как в резонаторе распространяется мно- ваться описанием света как волны, а в го прямых и обратных волн, то интенсивность светового поля в резонаторе может других — как частицы. В данном слу- в 10 раз превышать интенсивность падающего пучка. Поэтому при интерферен- чае удобнее воспользоваться волно- ции с взаимным усилением волн прошедший пучок по интенсивности равен исход- вым описанием. Прямой и обратный ному падающему пучку. Strona 20 18 В МИРЕ НАУКИ • 1983/№ 4 ется деструктивная интерференция (с взаимным ослаблением волн). Между 1 этими двумя экстремальными явлени- ями, безусловно, может наблюдаться t и любая промежуточная картина. При взаимодействии двух волн в результате их интерференции возника- ш S ет третья волна. Амплитуда результи- I < рующей волны в каждой точке резона- о> тора равна сумме амплитуд составля- с ющих ее волн в этой точке. Если во- оCL лны взаимно усиливают друг друга, С эта амплитуда велика, если же они ос- лабляют друг друга, она мала. Интер- ференция света оказывает совершенно неожиданное действие на пропускание интерферометра Фабри — Перо. При "(i) ОПТИЧЕСКАЯ ДЛИНА ПУТИ полном взаимном ослаблении волн ин- ФУНКЦИЯ ЭИРИ выражает соотношение между пропусканием интерферометра и тенсивность светового поля в резона- оптической длиной пути в веществе, заполняющем резонатор. Пропускание изме- торе близка к нулю и пропускание не- ряется отношением интенсивностей падающего и прошедшего пучков. Макси- мальное значение пропускания равно 1. Пропускание максимально, когда фазы значительно. При полном взаимном пучков в резонаторе совпадают. Оптическая длина пути равна толщине слоя ве- усилении многочисленные прямые и щества, умноженной на его показатель преломления. Интерференция с полным обратные пучки усиливают друг друга взаимным усилением наблюдается, когда оптическая длина пути кратна полови- и создают в резонаторе свет, интен- не длины волны (X) падающего света. сивность которого может в 10 раз пре- вышать интенсивность падающего пучка. Так как заднее зеркало пропу- скает 10 °7о падающего на него света, при полном взаимном усилении интен- сивность пучка на выходе интерферо- метра равна интенсивности пучка на его входе. Влияние показателя преломления АЗЫ прямого и обратного пучков, Ф а следовательно, и пропускание интерферометра можно регулировать изменением расстояния между зерка- лами и длиной волны падающего све- та. Однако ни один из этих методов не пригоден для оптического транзисто- ра. Более важным является то обстоя- тельство, что соотношение фаз можно изменять подбором оптических свойств вещества, заполняющего резо- натор, о чем мы пока не говорили. Свет распространяется с наиболь- шей скоростью в вакууме. В любой другой прозрачной среде скорость све- та меньше, и она зависит от свойств среды. Именно замедление световой ПЕТЛЯ ГИСТЕРЕЗИСА показывает характер изменения интенсивности прошедше- волны создает известное явление пре- го света при изменении интенсивности падающего пучка. Резонатор заполнен ве- ломления; показатель преломления ве- ществом с нелинейным показателем преломления, зависящим от интенсивности щества численно равен отношению падающего на него света. Изменение интенсивности падающего пучка изменяет скорости света в вакууме к скорости показатель преломления и оптическую длину пути, а следовательно, и пропуска- ние. Если постепенно увеличивать интенсивность падающего пучка, то интенсив- света в веществе. Например, если по- ность прошедшего пучка будет медленно нарастать (7). Однако за счет изменения казатель преломления определенного показателя преломления оптическая длина пути изменится, и будет наблюдаться сорта стекла равен 1,5, то это означа- полное взаимное усиление волн. Интенсивность светового поля в резонаторе воз- ет, что свет в этом стекле распростра- растет и еще более изменит показатель преломления. В определенной точке про- няется со скоростью не 300 ООО км/с, пускание резко увеличится (2). Если теперь интенсивность падающего пучка не- как в вакууме, а 200 000 км/с. Замедле- сколько уменьшить, пропускание не упадет до исходного уровня, так как интен- ние прохождения света сопровождает- сивность света в резонаторе еще достаточно велика и показатель преломления и оптическая длина пути соответствуют максимуму пропускания; пропускание па- ся уменьшением длины волны, однако дает медленно (3). При дальнейшем снижении интенсивности падающего пучка частота колебаний при этом не меня- произойдет значительная потеря интенсивности света в резонаторе и пропуска- ется. Отсюда понятно, что, даже не ние резко упадет до начального уровня (4). В петле гистерезиса участки 1 и 3 пред- изменяя длину резонатора или длину ставляют собой области стабильности, используемые в работе оптического пере- волны падающего света, можно изме- ключающего устройства. нить фазовые соотношения распро-