Интересные темы:

Гаджеты

Немного интересного:

Нанороботы внутри нас: как работают клетки

04.07.2014 Наука и жизнь

По подсчетам биологов, в живой клетке функционирует около сорока известных науке молекулярных автомобилей. Они возят грузы по молекулярным «рельсам», выступают в качестве «выключателей» и «включателей» химических процессов. Автомобили из молекул создают энергию для поддержания судьбы, уменьшают отечественные мускулы и строят другие молекулярные автомобили.

И вдобавок они воодушевляют ученых на постройку рукотворных нанороботов, каковые в будущем смогут жить и трудиться во внутриклеточном мире.

Дабы представить себе, из чего и как ученые-гулливеры будут строить роботов-лилипутов, мы разглядели пара наномашин, созданных самой природой.

Жгутик бактерии

Узнаваемый русский биохимик, академик РАН Владимир Скулачёв назвал перемещение бактерий одним из самых поразительных явлений природы: «Его изучение нанесло сокрушительный удар по отечественному гордому снобизму наподобие того, что биологическая эволюция, имея в собственном распоряжении миллиарды лет, так и не смогла изобрести колесо».

Для передвижения в жидкой среде кое-какие бактерии применяют поворачивающийся жгутик, что приводится микроскопическим электродвигателем, собранным из нескольких протеиновых молекул.Нанороботы внутри нас: как работают клетки Раскручиваясь до 1000 об/мин, жгутик может толкать бактерию вперед с неординарно громадной скоростью — 100−150 мкм/с. За секунду одноклеточное перемещается на расстояние, превосходящее его длину более чем в 50 раз.

В случае если это перевести на привычные нам величины, то спортсмен-пловец ростом в 180 см должен был бы переплывать 50-метровый бассейн за полсекунды!

Метаболизм бактерии устроен так, что хорошие ионы водорода (протоны) накапливаются между внутренней и внешней мембранами ее клетки. Создается электрохимический потенциал, увлекающий протоны из межмембранного пространства в клетку. Данный поток протонов проходит через «двигатель», приводя его в перемещение.

Протеиновую структуру «мотора» именуют комплексом Mot, что, со своей стороны, складывается из белков Mot A (статора) и Mot B (ротора). Ионные каналы в них расположены так, что перемещение протонов заставляет ротор вращаться подобно турбине. Манипулируя структурой белка, кое-какие бактерии могут изменять скорость и направление перемещения, а время от времени кроме того включать «задний движение».

Наличие вращающихся частей у живого организма сначала казалось столь немыслимым, что потребовало важных экспериментальных подтверждений. Таких подтверждений было получено пара. Так, в лаборатории академика Скулачёва бактерию характерной формы (в виде полумесяца, где передняя часть бактерии была вогнутой, задняя — выпуклой) прикрепляли жгутиком к стеклу и следили за ней в микроскоп.

Было прекрасно видно, как бактерия вращается, неизменно показывая наблюдателю только переднюю часть, собственную «впалую грудь», и ни при каких обстоятельствах не поворачиваясь «спиной».

Схема «электродвигателя» бактерии значительно больше напоминает инженерный чертеж, чем изображение живого организма. Основная подробность «мотора» — белок Mot A с ионными каналами, благодаря которым поток протонов заставляет ротор вращаться, как турбина.

АТФ-синтаза

Протонная АТФ-синтаза — самый мелкий в живой природе биологический мотор шириной всего в 10 нм. С его помощью живые организмы производят аденозинтрифосфат (АТФ) — вещество, которое служит главным источником энергии в клетке.

АТФ складывается из аденозина (соединение прекрасно привычного нам по ДНК азотистого основания аденина и сахара рибозы и трех последовательно подсоединенных к нему фосфатных групп. Химические связи между фосфатными группами весьма сильные и содержат большое количество энергии. Эта консервированная энергия может понадобиться для питания самых разнообразных химических реакций.

Но вначале нужно в некотором роде приложить энергию, дабы упаковать аденозин и фосфатные группы в молекулу АТФ. Этим и занимается АТФ-синтаза.

Поступающие в организм глюкоза и жирные кислоты проходят бессчётные циклы, в ходе которых особые ферменты дыхательной цепи откачивают хорошие ионы водорода (протоны) в межмембранное пространство. В том месте протоны накапливаются, как войско перед битвой. Создается потенциал: электрический (хорошие заряды снаружи митохондриальной мембраны, отрицательные в органеллы) и химический (появляется отличие концентраций ионов водорода: в митохондрии их меньше, снаружи больше).

Как мы знаем, что электрический потенциал на мембране митохондрий, которая является хорошим диэлектриком, достигает 200 мВ при толщине мембраны всего 10 нм.

Накопившись в межмембранном пространстве, протоны, подобно электрическому току, устремляются назад, в митохондрию. Они проходят по особым каналам в АТФ-синтазе, которая встроена во внутреннюю сторону мембраны. Поток протонов раскручивает ротор, словно бы река водяную мельницу.

Ротор вращается со скоростью 300 оборотов в секунду, что сопоставимо с большими оборотами двигателя болида «Формулы-1».

АТФ-синтазу по форме возможно сравнить с грибом, «растущим» на внутренней стороне мембраны митохондрии, наряду с этим обрисованный выше ротор скрывается в «грибнице». «Ножка гриба» вращается вместе с ротором, и на ее финише (в «шляпки») закреплено некое подобие эксцентрика. Неподвижная «шляпка» условно делится на три дольки, любая из которых деформируется, сжимается при прохождении эксцентрика.

К «долькам» прикрепляются молекулы аденозиндифосфата (АДФ, с двумя фосфатными группами) и остатки фосфорной кислоты. В момент сжатия АДФ и фосфат прижимаются друг к другу достаточно очень сильно, дабы образовать химическую сообщение. За один оборот «эксцентрик» деформирует три «дольки», и образуется три молекулы АТФ.

Умножив это на количество секунд в днях и примерное количество АТФ-синтаз в организме, мы возьмём необычную цифру: каждый день в людской теле вырабатывается приблизительно 50 кг АТФ.

Все тонкости этого процесса очень сложны и многообразны. За их расшифровку, которая "настойчиво попросила" практически ста лет, были вручены две Нобелевские премии — во второй половине 70-ых годов двадцатого века Питеру Митчеллу и во второй половине 90-ых годов двадцатого века Джону Уокеру и Полю Бойеру.

Как и при со жгутиками бактерий, перемещение ротора АТФ-синтазы было подтверждено экспериментально: прикрепив к вращающемуся участку помеченный флуоресцирующим красителем белок актин, похожий на долгую нить, ученые собственными глазами заметили, что он вращается. И это не обращая внимания на то, что соотношение размеров у них такое, как если бы человек размахивал двухкилометровой плетью.

Кинезин

Кинезин — это линейный молекулярный мотор, передвигающийся по клетке на протяжении путепроводов — полимерных нитей. Словно бы портовый грузчик, он перетаскивает на себе всевозможные грузы (митохондрии, лизосомы), применяя в качестве горючего молекулы АТФ.

Снаружи кинезин похож на сплетенного из узких канатов игрушечного «человечка»: он складывается из двух однообразных полипептидных цепей, верхние финиши которых сплетены и соединены совместно, а нижние расставлены в стороны и имеют на финишах «ботинки» — глобулярные головки размером 7,5 х 4,5 нм. При перемещении эти головки на нижних финишах поочередно отрываются от полимерной «тропинки», кинезин поворачивается на 180 градусов около собственной оси и переставляет одну из нижних «стоп» вперед.

Наряду с этим в случае если один его финиш при перемещении тратит энергию (молекулу АТФ), то второй сейчас высвобождает компонент для образования энергии, АДФ. В итоге получается траты энергии и непрерывный цикл подачи для нужной работы.

Как продемонстрировали изучения, кинезин способен достаточно бодро вышагивать по клетке собственными «веревочными» ножками: делая ход длиной всего 8 нм, за секунду он перемещается на огромное по клеточным меркам расстояние в 800 нм, другими словами делает 100 шагов в секунду. Попытайтесь представить себе такие скорости в людской мире!

Кинезин, шагая по «тропинкам» из микротрубок, переносит разные грузы в клетке

Неестественные наномашины

Человеком, что подтолкнул научный мир к созданию нанороботов на базе биологических молекулярных устройств, стал выдающийся ученый-физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Его лекцию 1959 года с символичным заглавием «В том месте внизу еще много места» биоинженеры всей земли вычисляют отправной точкой в этом нелегком деле.

Прорыв, разрешивший перейти от теории к практике, произошёл в первой половине 90-х годов двадцатого века. Тогда британские исследователи из университета Шеффилда, Фрэйзер Стоддарт и Нил Спенсер, и их итальянский сотрудник Пьер Анелли сделали первый молекулярный челнок — синтетическое устройство, в котором происходит пространственное перемещение молекул. Для его создания применяют ротаксан — неестественное вещество, в котором кольцевая молекула (кольцо) нанизана на линейную молекулу (ось).

Из этого и наименование вещества: лат. rota — кoлесо и axis — ось. Ось в ротаксане имеет форму гантели, дабы посредством объемных групп на финишах не разрешать кольцу соскальзывать со стержня.

Челнок на базе ротаксана перемещает кольцевую молекулу на протяжении линейной, на которой она держится, посредством протонов (ослабляя либо увеличивая водородные связи, удерживающие по центру кольцевую молекулу) и броуновского перемещения, толкающего вперед кольцо. Это похоже на кинутый в ручей резиновый мячик, привязанный к веревке: ослабили веревку (водородные связи) и стремительный ручей (броуновское перемещение) подхватит мяч и увлечет его вперед. Натянули веревку — мяч возвратится назад.

«Наномашина» — это «четырехколесная» молекула, созданная в 2005 году группой под управлением доктора наук Джеймса Тура (Университет Райса). Собственного мотора у нее нет, но при нагревании поверхности до порядка 200 °C фуллереновые колеса начинают вращаться и машинка катится.

В 2010 году несколько американских биоинженеров, Милан Стоянович и его коллеги, создали молекулярного наноробота, талантливого перемещаться по ДНК. На протяжении опыта ученые смогли проследить, как их наноробот смог самостоятельно сделать 50 шагов и передвинуться на 100 нм. Робот, напоминающийпаука, может самостоятельно делать пара команд: «идти», «развернуть», «остановиться».

Согласно точки зрения авторов, он пользуется большим спросом в медицине в качестве доставщика лекарств в клетку.

В 2013 году британские и шотландские биоинженеры под управлением Дэвида Лея смогли создать первый в мире молекулярный наноконвейер: наномашину, талантливую собирать пептиды, маленькие белки. В природе эту задачу делают рибосомы — органеллы, находящиеся в отечественных клетках. Биоинженеры забрали за базу для собственной автомобили молекулу ротаксана и на ее «стержне» смогли собрать из отдельных аминокислот белок заданного свойства.

Действительно, в соревновании с природной сборкой белков в рибосоме неестественная молекулярная машина до тех пор пока проигрывает: ей пригодилось 12 часов на присоединение каждого аминокислотного остатка, тогда как рибосомы справляются с данной задачей стремительнее чем за секунду.

Не обращая внимания на это, исследователи с оптимизмом разглядывают собственную разработку. «Вы приобретаете машину, которая совершенно верно движется, поднимает молекулярные строительные блоки и ставит их совместно. В случае если природа делает это, из-за чего не можем мы?» — отметил доктор наук Лей.

Экспертное вывод

Александр Марков, биолог, популяризатор науки, доктор наук МГУ: «На протяжении эволюции весьма легко появляются совокупности, выглядящие на первый взгляд «несократимо сложными». Они складываются из многих частей, каковые приносят пользу лишь дружно, убери одну — и вся совокупность перестает трудиться, а любая отдельная часть сама по себе помой-му ненужна. Это заставляет некоторых ученых поставить под сомнение теорию эволюции в целом.

Но стоит начать разбираться, и узнается, что эти совокупности в действительности не являются «несократимо сложными». Удаление некоторых подробностей не уничтожает молекулярную машину, а только снижает ее эффективность. Значит, в прошлом имела возможность существовать машина без данной подробности, а подробность присоединилась позднее, что повысило эффективность работы. Но кроме того в случае если удаление детали делает молекулярную машину нефункциональной, это возможно результатом продолжительной обоюдной «притирки» подробностей.

Нужно кроме этого не забывать, что организму, не имеющему какой-то молекулярной автомобили, будет нужен кроме того весьма простой, малоэффективный, чуть трудящийся ее вариант».

Статья «Нанороботы в нас» размещена в издании «Популярная механика» (№159, январь 2016).

Случайные записи:

Целый космос внутри живой клетки!


Похожие статьи, которые вам понравятся:

Tags:  , ,