Обзор биологических наномоторов (стр. 2 из 2)

Рис. 5. Перемещение кинезином меланосомы (клеточной органеллы) вдоль микротрубки

В процессе "ходьбы" молекула кинезина может расщепить за одну секунду до 100 молекул АТФ, переместившись на 800 нанометров. Работая в качестве индивидуального молекулярного извозчика, кинезин может совершать перемещения на очень большие расстояния (до 1 мм).

Рис. 6. Кинезиновый наноконвейер

Ученые из института им. Макса Планка попытались "приручить" кинезин вне клетки. Для этого они покрыли молекулами кинезина гладкую стеклянную поверхность, создав что-то вроде ковра, ворсинки которого представляли собой молекулы кинезина. Потом исследователи разместили на этой поверхности ряд микротрубок и микросфер. Исследователи добавили к среде раствор АТФ - и получился огромный "трубочный" конвейер. Если в клетке кинезин шагает вдоль микротрубки сам, то в искусственной системе молекула была жестко закреплена, и свободные концы молекул "шагали" по микротрубкам, передвигая их. Движения микротрубок можно увидеть на этом видео. Запись велась с помощью оптического микроскопа.

В дальнейшем команда планирует создать микрочипы со встроенными конвейерами, работающими в разных направлениях. Это, конечно, будет большим плюсом для будущих систем наносборки, так как НЭМС-конвейеры пока сделать достаточно трудно. Наверняка такие транспортные системы будут полезны и в лабораториях-на-чипе.

Камера сгорания внутри вируса

Как мы уже видели, биологические системы раньше человека использовали вращательное движение в молекулярных машинах. Ранее мы уже рассказывали о том, как молекулы РНК могут быть использованы в качестве строительных блоков для будущих наномашин. Однако до проведения этой работы профессор Пейхуан Гу описал работу вирального мотора на основе РНК-гексамера. РНК-гексамер - это комплекс, состоящий из шести отдельных РНК-мономеров.

Рис. 7. Вирус phi29 выбрасывает ДНК из капсида

Оказалось, что вирус-бактериофаг phi29 использует гексамер молекул РНК для выброса молекулы ДНК из капсида вируса (см. рис. 7). При этом сам процесс работы мотора похож на работу двигателя внутреннего сгорания автомобиля. Роль камеры сгорания играет портал - образование внутри капсида вируса, занятое молекулами РНК и ротором. Мономеры молекулы РНК, подобно поршням, поочередно толкают центральный пятисторонний ротор, заставляя его вращаться. Каждый РНК-мономер толкает ротор всего на 12°, потребляя одну молекулу АТФ. Таким образом, за один цикл портал поворачивается на 72°, затратив 6 молекул (см. рис. 8).

Рис. 8. Структура и модель вирального мотора

В центре ротора находится молекула ДНК. По мере того, как ротор вращается, молекула перемещается из капсида вируса во внешнее пространство.

Исследователи еще не смогли искусственно воссоздать из молекул РНК основу мотора. Пока они собрали "кольца", "треугольники" и "стержни". Они считают, что эти структуры можно интегрировать с нанотранзисторами, нанопроводниками, нанотрубками, биосенсорами и другими уже существующими наноструктурами, чтобы получить сложные НЭМС-системы.

Дайтер Молл, исследователь из группы Гу, говорит, что "самосборка молекул РНК позволит значительно уменьшить стоимость будущих РНК-НЭМС."

Жгутиковый мотор

Бактерия EsherichiaColi (E. Coli) - мечта нанотехнологов. Это почти готовая "база" для будущих нанобиороботов. Чтобы плавать, она с помощью специальных биологических электромоторов вращает свои жгутики. Когда жгутики начинают синхронно вращаться против часовой стрелки, они сплетаются в единый пучок, который образует своеобразный пропеллер. Вращение пропеллера создает силу, заставляющую бактерию двигаться почти по прямой линии. После того как направление вращения жгутиков изменяется на противоположное, пучок расплетается и бактерия останавливается, вместо поступательного движения она начинает хаотически вращаться, ее ориентация изменяется.

Рис. 9. Строение жгутикового мотора

Как и протонные АТФсинтазы, электромоторы бактерий являются устройствами, которые в качестве источника энергии используют разность протонных потенциалов на цитоплазматической мембране. Принципы работы АТФсинтазы и бактериального мотора одинаковы, хотя сами эти конструкции различаются по своим размерам и устройству (см. рис. 9, 10). Можно с уверенностью сказать, что бактериальный мотор - аналог машины постоянного тока, созданной человеком.

Рис. 10. Структурная модель, принцип работы и микрофотография жгутикового мотора

Электромоторы бактерий работают очень эффективно. Бактерии плавают со средней скоростью около 25 мкм/с, но некоторые виды могут двигаться поступательно со скоростью больше 100 мкм/с. Это означает, что за одну секунду бактерия перемещается на расстояние, которое в десять или больше раз превышает ее собственную длину. Любопытно провести аналогию с движением систем макроскопических размеров. Например, если бы пловцы преодолевали за одну секунду расстояние, на порядок превышающее их собственный рост, то стометровую дорожку плавательного бассейна они бы проплывали приблизительно за 5 с. Обычно электромотор бактерий вращается со скоростью, достигающей 50-100 оборотов в секунду, однако у некоторых видов бактерий скорость вращения превышает 1000 оборотов в секунду. Электромоторы, которые могут так быстро вращать жгутики бактерий, очень экономичны - они потребляют не более 1% энергетических ресурсов бактериальной клетки.

Роберт Фрайтас и Адриано Кавальканти, одни из ведущих мировых ученых в области наномедицины, неоднократно заявляли, что именно подобные жгутиковые моторы будут наиболее эффективны в наноробототехнике.

Заключение

Итак, как мы видим, на первых порах нет необходимости разрабатывать какие-либо "продвинутые" актюаторы, как это делал Эрик Дрекслер в "Наносистемах". Для построения первых примитивных наносистем достаточно и этих готовых "кирпичиков", которые миллионы лет эффективно работают в природе. Но, как только можно будет конструировать произвольные структуры из алмазоида с атомарной точностью, для многих наноустройств такие моторы будут непригодны.

У всех рассмотренных выше биологических моторов есть ряд недостатков. Важнейший недостаток - малая степень управляемости. То есть, если вы захотите использовать тот же АТФазный мотор для управления наноманипулятором, задать перемещение ротора в 10-20° будет практически невозможно, так как дискретность работы мотора - 120°. Конечно, можно воспользоваться редукторами и прочими преобразователями движения, но это усложнит конструкцию и увеличит размер устройства. Также один из недостатков биомоторов - условие работы в жидкой среде, что существенно ограничивает их круг применения.

Но все-таки, повторюсь, все вышеперечисленные моторы как нельзя лучше подходят по характеристикам для современных исследований в области нанотехнологий и нанопроизводства. Так что в течение следующих 10-15 лет им не предвидится альтернативы.

Списоклитературы

1. Carlo Montemagno идр., Nanotechnology 10 (1999) 225-231. Constructing Biological Motor Powered Nanomechanical Devices.

2. ISA: Engineering team working to create nanomotor

3. Constantinos Mavroidis, Ph.D., Associate Professor Department of Mechanical and Aerospace Engineering Rutgers University: PROTEIN BASED NANO-MACHINES FOR SPACE APPLICATIONS;

4. А. Н. Тихонов. Молекулярные моторы, ИР file:///C:/Documents%20and%20Settings/Test/Desktop/Моторы/www.nature.ru, 2001

5. Peixuan Guo, Purdue University: Construction of a Viral Nanomotor Driven by a Synthetic RNA

6. Свидиненко Юрий: РНК может формировать строительные блоки для наномашин

7. Richard M Berry, The Randall Institute, King’s College London, London, UK: Bacterial Flagella: Flagellar Motor