За підрахунками біологів, в живій клітині функціонує близько сорока відомих науці молекулярних машин. Вони возять вантажі по молекулярним «рейках», виступають в якості «вмикачів» і «вимикачів» хімічних процесів. Машини з молекул виробляють енергію для підтримки життя, скорочують наші м'язи і будують інші молекулярні машини. А ще вони надихають учених на будівництво рукотворних нанороботів, які в майбутньому зможуть жити і працювати у внутрішньоклітинному світі.
10 популярних медичних міфів
Акселерація і децелерація: як змінюється наш зростання від епохи до епохи
Щоб уявити собі, з чого і як вчені-Гуллівери будуватимуть роботів-ліліпутів, ми розглянули кілька наномашин, створених самою природою.
джгутик бактерії
Відомий російський біохімік, академік РАН Володимир Скулачов назвав рух бактерій одним з найбільш вражаючих явищ природи: «Його дослідження завдало нищівного удару по нашому зарозумілому снобізму на кшталт того, що біологічна еволюція, маючи в своєму розпорядженні мільярди років, так і не змогла винайти колесо».
Для пересування в рідкому середовищі деякі бактерії використовують обертовий джгутик, який приводиться мікроскопічним електродвигуном, зібраним з декількох білкових молекул. Розкручуючись до 1000 об / хв, джгутик може штовхати бактерію вперед з незвичайно великою швидкістю - 100-150 мкм / с. За секунду одноклітинне переміщається на відстань, що перевершує його довжину більш ніж в 50 разів. Якщо це перевести на звичні нам величини, то спортсмен-плавець зростанням в 180 см мав би перепливати 50-метровий басейн за півсекунди!
Метаболізм бактерії влаштований таким чином, що позитивні іони водню (протони) накопичуються між внутрішньою і зовнішньою мембранами її клітини. Створюється електрохімічний потенціал, що захоплює протони з межмембранного простору в клітину. Цей потік протонів проходить через «двигун», приводячи його в рух.
Білкову структуру «мотора» називають комплексом Mot, який, в свою чергу, складається з білків Mot A (статора) і Mot B (ротора). Іонні канали в них розташовані таким чином, що рух протонів змушує ротор обертатися подібно турбіні. Маніпулюючи структурою білка, деякі бактерії вміють змінювати напрямок і швидкість руху, а іноді навіть включати «задній хід».
Наявність обертових частин у живого організму спочатку здавалося настільки неймовірним, що зажадало серйозних експериментальних підтверджень. Таких підтверджень було отримано кілька. Так, в лабораторії академіка Скулачов бактерію характерної форми (у вигляді півмісяця, де передня частина бактерії була увігнутою, задня - опуклою) прикріплювали жгутиком до скла і спостерігали за нею в мікроскоп. Було добре видно, як бактерія обертається, постійно показуючи спостерігачеві лише передню частину, свою «впалі груди», і ніколи не повертаючись «спиною».
Схема «електродвигуна» бактерії набагато більше нагадує інженерне креслення, ніж зображення живого організму. Головна деталь «мотора» - білок Mot A з іонними каналами, завдяки яким потік протонів змушує ротор обертатися, як турбіна.
АТФ-синтаза
Протонна АТФ-синтаза - найменший в живій природі біологічний мотор шириною всього в 10 нм. З його допомогою живі організми виробляють аденозинтрифосфат (АТФ) - речовина, яка служить основним джерелом енергії в клітині.
АТФ складається з аденозину (з'єднання добре знайомого нам по ДНК азотистого підстави аденіну і цукру рибози і трьох послідовно приєднаних до нього фосфатних груп. Хімічні зв'язку між фосфатними групами дуже сильні і містять багато енергії. Ця консервована енергія може стати в нагоді для харчування найрізноманітніших біохімічних реакцій. Однак спершу необхідно певним чином докласти енергію, щоб упакувати аденозин і фосфатні групи в молекулу АТФ. Цим і займається АТФ-синтаза.
Вступники в організм жирні кислоти і глюкоза проходять численні цикли, в процесі яких спеціальні ферменти дихального ланцюга відкачують позитивні іони водню (протони) в межмембранное простір. Там протони накопичуються, як військо перед битвою. Створюється потенціал: електричний (позитивні заряди зовні мітохондріальної мембрани, негативні всередині органели) і хімічний (виникає різниця концентрацій іонів водню: всередині мітохондрії їх менше, зовні більше).
Відомо, що електричний потенціал на мембрані мітохондрій, що служить добрим діелектриком, досягає 200 мВ при товщині мембрани всього 10 нм.
Накопичившись в межмембранном просторі, протони, подібно до електричного струму, спрямовуються назад, в мітохондрії. Вони проходять по спеціальних каналах в АТФ-синтази, яка вбудована у внутрішню сторону мембрани. Потік протонів розкручує ротор, ніби річка водяний млин. Ротор обертається зі швидкістю 300 оборотів в секунду, що можна порівняти з максимальними оборотами двигуна боліда «Формули-1». АТФ-синтази за формою можна порівняти з грибом, «зростаючим» на внутрішній стороні мембрани мітохондрії, при цьому описаний вище ротор ховається в «грибниці». «Ніжка гриба» обертається разом з ротором, і на її кінці (всередині «капелюшки») закріплено якусь подобу ексцентрика. Нерухома «капелюшок» умовно ділиться на три часточки, кожна з яких деформується, стискається при проходженні ексцентрика. До «часточок» прикріплюються молекули аденозиндифосфата (АДФ, з двома фосфатними групами) і залишки фосфорної кислоти. У момент стиснення АДФ і фосфат туляться один до одного досить сильно, щоб утворити хімічний зв'язок. За один оборот «ексцентрик» деформує три «часточки», і утворюється три молекули АТФ. Помноживши це на кількість секунд в добі і приблизну кількість АТФ-синтази в організмі, ми отримаємо дивовижну цифру: щодня в людському тілі виробляється приблизно 50 кг АТФ.
Як і в випадку з джгутиками бактерій, рух ротора АТФ-синтази було підтверджено експериментально: прикріпивши до обертається ділянці позначений флуоресцирующим барвником білок актин, схожий на довгу нитку, вчені своїми очима побачили, що він обертається. І це незважаючи на те, що співвідношення розмірів у них таке, як якщо б людина розмахувала двокілометровій батогом.
Кінезин - це лінійний молекулярний мотор, що пересувається по клітці уздовж шляхопроводів - полімерних ниток. Ніби портовий вантажник, він перетягує на себе всілякі вантажі (мітохондрії, лізосоми), використовуючи в якості палива молекули АТФ.
Зовні кінезин схожий на сплетеного з тонких мотузок іграшкового «чоловічка»: він складається з двох однакових поліпептидних ланцюгів, верхні кінці яких сплетені і пов'язані один з одним, а нижні розставлені в сторони і мають на кінцях «черевики» - глобулярні головки розміром 7,5 × 4 , 5 нм. При русі ці головки на нижніх кінцях по черзі відриваються від полімерної «стежки», кінезин повертається на 180 градусів навколо своєї осі і переставляє одну з нижніх «стоп» вперед. При цьому якщо один його кінець при русі витрачає енергію (молекулу АТФ), то інший в цей час вивільняє компонент для утворення енергії, АДФ. У підсумку виходить безперервний цикл подачі і витрати енергії для корисної роботи.
Як показали дослідження, кінезин здатний досить бадьоро крокувати по клітці своїми «мотузковими» ніжками: роблячи крок довжиною всього 8 нм, за секунду він переміщується на гігантське по клітинним мірками відстань в 800 нм, тобто робить 100 кроків в секунду. Спробуйте уявити собі такі швидкості в людському світі!
Кінезин, крокуючи по «стежках» з мікротрубок, переносить різні вантажі в клітці
штучні наномашини
Людиною, яка підштовхнула науковий світ до створення нанороботів на основі біологічних молекулярних механізмів, став видатний вчений-фізик, нобелівський лауреат Ричард Фейнман. Його лекцію 1959 року зі символічною назвою «Там внизу ще багато місця» біоінженери всього світу вважають відправною точкою в цій нелегкій справі.
Човник на основі ротаксана переміщує кільцеву молекулу уздовж лінійної, на якій вона тримається, за допомогою протонів (послаблюючи або збільшуючи водневі зв'язку, які утримують по центру кільцеву молекулу) і броунівського руху, який штовхає вперед кільце. Це схоже на кинутий в струмок гумовий мячик, прив'язаний до мотузки: послабили мотузку (водневі зв'язки) і стрімкий струмок (броунівський рух) підхопить м'яч і захопить його вперед. Натягнули мотузку - м'яч повернеться назад.
Незважаючи на це, дослідники з оптимізмом розглядають свою розробку. «Ви отримуєте машину, яка точно рухається, піднімає молекулярні будівельні блоки та ставить їх разом. Якщо природа робить це, чому не можемо ми? »- зазначив професор Лей.
Експертна думка
Олександр Марков, біолог, популяризатор науки, професор МГУ: «В ході еволюції дуже легко виникають системи, виглядають на перший погляд« нескоротних складними ». Вони складаються з багатьох частин, які приносять користь тільки все разом, прибери одну - і вся система перестає працювати, а кожна окрема частина сама по собі начебто марна. Це змушує деяких учених поставити під сумнів теорію еволюції в цілому. Але варто почати розбиратися, і з'ясовується, що ці системи насправді не є «нескоротних складними». Видалення деяких деталей не знищує молекулярну машину, а лише знижує її ефективність. Значить, в минулому могла існувати машина без цієї деталі, а деталь приєдналася пізніше, що підвищило ефективність роботи. Але навіть якщо видалення деталі робить молекулярну машину нефункціональної, це може бути результатом довгої взаємної «притирання» деталей. Необхідно також пам'ятати, що організму, який не має якоїсь молекулярної машини, буде корисний навіть дуже простий, малоефективний, ледве працюючий її варіант ».