Свідіненко Юрій (Svidinenko)
Багато молекулярні наномашини, що давно працюють в живих організмах, можуть послужити першими будівельними цеглинками майбутніх нанороботів. Причому таких "моторів" в природі досить багато. У цій статті ми розповімо про основні біомоторах і їх можливе застосування в наносистемах майбутнього.
Одним з перешкод, що обмежують розміри МЕМС-пристроїв, є те, що до цих пір немає працездатного мініатюрного мотора розмірами близько 500-100 нанометрів. Нещодавно Алекс Зеттл був продемонстрований робочий наномотор з розміром ротора близько 500 нанометрів, але конструктивне виконання мотора ускладнює його використання в МЕМС. Мотор був виготовлений на основі кремнієвої підкладки і золотих електродів. У якості осі для ротора дослідники використовували нанотрубку.
До використання подібних "неорганічних" моторів у мікро-та наносистемах ще далеко - їх важко виготовити, а інтегрувати в готове МЕМС-пристрій ще важче. Сьогодні багато дослідників наполягають на тому, що біологічні мотори зіграють не останню роль в якості актюаторів в МЕМС-пристроях. Тим більше, що можна налагодити їх масове виробництво методами генної інженерії та біотехнологій вже зараз. Та й технічні характеристики (співвідношення розміру, маси, що генерується механічного моменту і споживаної енергії) біологічних моторів досить непогані. Деякі дослідники зацікавлені у використанні бактеріальних джгутикових моторів в якості актюаторів для наноробототехнікі.
Цікаво також те, що різні типи біологічних моторів відповідають деяким макроскопічними машинам за принципом дії. Майкл Маєр, професор хіміко-біологічного відділення з Мічиганського університету, після вивчення молекули кінезин сказав: "Ці штуки - справжні машини! Було б чудово штучно побудувати одну з них".
Ензим АТФаза і деякі жгутикові мотори, наприклад, працюють аналогічно звичайному електродвигуну: ротор обертається усередині нерухомого статора. Молекула кінезин, переміщуючись вздовж мікротрубок цитоскелету, нагадує лінійний двигун. А актюатор бактеріофага phi29, що викидає віральную ДНК з капсида всередину клітини-господаря, працює за принципом двигуна внутрішнього згоряння з декількома робочими циліндрами.
Незвичайний ензим
Ензим АТФ-синтетаза призначений для синтезу або гідролізу молекул АТФ, а також для перенесення протонів (Н +) через мембрану клітини, чим забезпечує стабільний внутрішньоклітинний рН цитоплазми. Вчені встановили, що при гідролізі АТФ одна з частин ензиму робить обертовий рух. Тоді у дослідників-нанотехнологів і виник інтерес до цього незвичайного ензими.
АТФаза складається з двох окремих частин: (1) F0, гідрофобною частині, пов'язаній з мембраною, відповідальної за транспорт протонів, і (2) F1, гідрофільної частини, відповідальної за синтез і гідроліз АТФ (див. рис.1).
Малюнок 1. Будова і модель ензиму АТФаза
У міру того як протони протікають через F0 частина ензиму, γ-субодиниця частини F1-ATФази обертається за годинниковою стрілкою і йде синтез АТФ. Гідроліз АТФ відбувається при обертанні γ-субодиниці проти годинникової стрілки, при цьому напрямок протікання протонів змінюється на протилежне. Субодиниці a, b, c і частини F0-АТФази формують канал перенесення протонів через клітинну мембрану. Місця каталізу і приєднання нуклеотидів були виявлені дослідниками (Kinosita та ін, 1998) на трьох а і трьох b субодиниця частини F1-ATФази. γ-субодиниця розташована в центрі гексамери α3β3 і обертається при синтезі або гідролізі АТФ.
Найдивніше полягає в тому, що АТФаза представляє собою повну аналогію макроскопічних моторів, зроблених людиною, які теж складаються з ротора і статора.
Група дослідників з Корнельського університету на чолі з Карло Монтеманьо спробувала інтегрувати цей природний наномотор [1] в НЕМС. Дослідникам вдалося виміряти радіальне відхилення мікросфери при обертанні субодиниці, коли вони приєднали флуоресцентну мікросферу діаметром 1 мкм до γ-субодиниці АТФази (див. рис.2).
Малюнок 2. Будова наномотора і мікрофотографії радіального відхилення мікросфери
При додаванні до набору одержані наномоторів 2 мM Na2ATФ і за присутності в розчині 4 мM MgCl2 диференціальним інтерферометром спостерігалося обертання мікросфери, що становить 9.5-10.5 Гц, або 3-4 об / сек. Причому обертання являло собою дискретні зміни кута, утвореного γ-субодиницею і α3β3 - комплексом, кожен раз на 120 °.
Подальші дослідження будуть спрямовані на вивчення інженерних властивостей мотора і його продуктивності. Це необхідно для подальшої розробки функціонуючих наномеханіческіх пристроїв, що приводяться в рух F1-АТФази. Потрібно, наприклад, визначити залежність продуктивності мотора як узагальнену функцію від тепловіддачі, виходу протонів, рН, завантаження ензиму молекулами АТФ. Більше того, необхідно вивчити взаємодію між субодиницями α3β3γ, щоб у майбутньому методами протеїнової інженерії поліпшити продуктивність мотора, якщо це буде можливо.
АТФсінтаза є свого роду рекордсменом серед молекулярних моторів своєї "ваговій категорії". По ефективності роботи і розвивається нею силі вона істотно перевершує всі відомі в природі молекулярні мотори. Так, наприклад, молекула АТФсінтази приблизно в 10 разів сильніше актомиозинового комплексу - молекулярної машини, що спеціалізується в клітинах м'язів і різних органах на "професійному" виконанні механічної роботи. Таким чином, за сотні мільйонів років до того, як з'явилася людина, яка винайшла колесо, переваги обертального характеру руху були успішно реалізовані Природою на молекулярному рівні.
Рис. 3. Наноробот з пропелером на АТФази
Вже існують перші проекти інтеграції моторів на основі АТФази в майбутню наноробототехніку. Доктор Костянтин Мавродіс з Рутгерського університету запропонував "блочну схему" одного з найпростіших нанороботів, який використовує саме такий мотор (див. рис. 3). Тіло нанороботи складається з нанотрубки, маніпулятори виконані у вигляді складних пептидних ланцюгів. Пропелер (правда, за останніми даними математичного моделювання, пропелерні системи актюаціі в нано-і мікроразмерних в'язких середовищах неефективні), що забезпечує пересування у в'язких середовищах, розташований на АТФази. Як стверджує автор, подібні гібридні пристрої можуть з'явитися вже через 10 років. Правда, Костянтин не акцентує увагу на системах управління такими пристроями, що саме по собі представляє більш складну задачу, ніж приведення його в рух.
Найменший у світі вантажник
Інший не менш відомий біологічний мотор, який теж буде корисний нанотехнологам, - молекула білка кінезин. Це представник іншого класу лінійних моторів. Серед механохімічно перетворювачів енергії, поширених в живій природі, вони відіграють важливу роль. Ці білкові машини рухаються уздовж полімерних ниток, використовуючи в якості "палива" молекули АТФ. До таких моторів відносяться білки актомиозинового комплексу, що входить до складу скорочувального апарату м'язів. Рух мікроворсинок (джгутиків і війок бактерій та найпростіших) визначається взаємодією іншої пари моторних білків - динеїну і тубуліну. Зсув головок динеїну щодо тубулінових мікротрубочок білків забезпечує хвилеподібні рухи мікроворсинок. Серед великої кількості моторних білків міозин скелетних м'язів і кінезин з клітин мозку є найбільш вивченими молекулярними моторами. Незважаючи на те, що функції міозину і кінезин в клітці різняться, вони дивно схожі за своєю будовою і механізмами дії.
Розповімо, як працює молекула кінезин. Спільно з микротрубку цитоскелету вона виконує транспорт речовин всередині клітини і переміщення везикул. Якщо провести аналогію з макросвітом, то мікротрубки грають роль рейок, по яких переміщаються молекули білків кінезин (вагони), несучи на собі корисний вантаж. Один кінець цієї молекули прикріплюється до везикул, яку необхідно транспортувати, а інший - до микротрубку, яка направляє рух. Молекули кінезин виконують роботу практично у всіх рослинах і тварин (див. рис. 4).
Молекула кінезин представляє собою димер, утворений двома однаковими поліпептидними ланцюгами. Подібно молекулі миозина, з одного боку кожної поліпептидного ланцюга кінезин формується глобулярна голівка, з'єднана з порівняно довгим хвостом. Лінійні розміри голівки порівняно невеликі, вони складають 7,5 х 4,5 х 4,5 нм. Довжина молекули - 50 нанометрів. Хвости двох мономерних ланцюгів сплетені разом, а нахилені в різні сторони голівки утворюють своєрідну рогатину, яка безпосередньо взаємодіє з глобулярними мономерами мікротрубочки, уздовж якої переміщується кінезин.
Рис. 4. Будова молекули кінезин
Цікаво те, що молекула "крокує" уздовж мікротрубки (див. рис.5), роблячи 8-нанометрові кроки. На малюнку кінезіновий комплекс переміщує органелу меланосом (відповідальну за синтез меланіну) уздовж мікротрубки. Для того, щоб так зробити крок, молекула використовує в якості палива 1 молекулу АТФ. При цьому сила, що розвивається однією молекулою кінезин, становить величину 6 пН. Якби такий потужністю в розрахунку на одиницю маси мали автомобільні мотори, то вони б могли легко розганяти машини до швидкостей, істотно перевищують швидкість звуку. Коефіцієнт корисної дії кінезінового мотора також великий - приблизно 50%.
Рис. 5. Переміщення кінезин меланосоми (клітинної органели) уздовж мікротрубки
У процесі "ходьби" молекула кінезин може розщепити за одну секунду до 100 молекул АТФ, перемістившись на 800 нанометрів. Працюючи в якості індивідуального молекулярного візника, кінезин може здійснювати переміщення на дуже великі відстані (до 1 мм).
Рис. 6. Кінезіновий наноконвейер
Вчені з інституту ім. Макса Планка спробували "приручити" кінезин поза клітини. Для цього вони покрили молекулами кінезин гладку скляну поверхню, створивши щось на зразок килима, ворсинки якого представляли собою молекули кінезин. Потім дослідники розмістили на цій поверхні ряд мікротрубок і мікросфер. Дослідники додали до середовища розчин АТФ - і вийшов величезний "трубний" конвеєр. Якщо в клітці кінезин крокує уздовж мікротрубки сам, то в штучній системі молекула була жорстко закріплена, і вільні кінці молекул "крокували" по микротрубку, пересуваючи їх. Рухи мікротрубок можна побачити на цьому відео. Запис вівся з допомогою оптичного мікроскопа.
Надалі команда планує створити мікрочіпи з вбудованими конвеєрами, що працюють в різних напрямках. Це, звичайно, буде великим плюсом для майбутніх систем наносборкі, оскільки НЕМС-конвеєри поки зробити досить важко. Напевно такі транспортні системи будуть корисні і в лабораторіях-на-чіпі.
Камера згоряння всередині вірусу
Як ми вже бачили, біологічні системи раніше людини використали обертальний рух в молекулярних машинах. Раніше ми вже розповідали про те, як молекули РНК можуть бути використані в якості будівельних блоків для майбутніх наномашин. Проте до проведення цієї роботи професор Пейхуан Гу описав роботу вірального мотора на основі РНК-гексамери. РНК-гексамери - це комплекс, що складається з шести окремих РНК-мономерів.
Рис. 7. Вірус phi29 викидає ДНК з капсида
Виявилося, що вірус-бактеріофаг phi29 використовує гексамери молекул РНК для викиду молекули ДНК з капсида вірусу (див. рис. 7). При цьому сам процес роботи мотора схожий на роботу двигуна внутрішнього згоряння автомобіля. Роль камери згоряння грає портал - утворення всередині капсиду вірусу, зайняте молекулами РНК і ротором. Мономери молекули РНК, подібно поршням, по черзі штовхають центральний п'ятисторонніх ротор, примушуючи його обертатися. Кожен РНК-мономер штовхає ротор всього на 12 °, споживаючи одну молекулу АТФ. Таким чином, за один цикл портал повертається на 72 °, витративши 6 молекул (див. рис. 8).
Рис. 8. Структура та модель вірального мотора
У центрі ротора знаходиться молекула ДНК. У міру того, як ротор обертається, молекула переміщається з капсида вірусу у зовнішній простір.
Дослідники ще не змогли штучно відтворити з молекул РНК основу мотора. Поки вони зібрали "кільця", "трикутники" і "стрижні". Вони вважають, що ці структури можна інтегрувати з нанотранзисторами, нанопровідники, нанотрубками, біосенсорами та іншими вже існуючими наноструктурами, щоб отримати складні НЕМС-системи.
Дайтер Молл, дослідник з групи Гу, говорить, що "самосборка молекул РНК дозволить значно зменшити вартість майбутніх РНК-НЕМС."
Жгутиковий мотор
Бактерія Esherichia Coli (E. Coli) - мрія нанотехнологів. Це майже готова "база" для майбутніх нанобіороботов. Щоб плавати, вона за допомогою спеціальних біологічних електромоторів обертає свої джгутики. Коли джгутики починають синхронно обертатися проти годинникової стрілки, вони сплітаються в єдиний пучок, який утворює своєрідний пропелер. Обертання пропелера створює силу, що змушує бактерію рухатися майже по прямій лінії. Після того як напрямок обертання джгутиків змінюється на протилежне, пучок розплітається і бактерія зупиняється, замість поступального руху вона починає хаотично обертатися, її орієнтація змінюється.
Рис. 9. Будова джгутикового мотора
Як і протонні АТФсінтази, електромотори бактерій є пристроями, які як джерело енергії використовують різницю протонних потенціалів на цитоплазматичній мембрані. Принципи роботи АТФсінтази і бактеріального мотора однакові, хоча самі ці конструкції розрізняються за своїми розмірами і пристрою (див. рис. 9, 10). Можна з упевненістю сказати, що бактеріальний мотор - аналог машини постійного струму, створеної людиною.
Рис. 10. Структурна модель, принцип роботи і мікрофотографія джгутикового мотора
Електромотори бактерій працюють дуже ефективно. Бактерії плавають із середньою швидкістю близько 25 мкм / с, але деякі види можуть рухатися поступально зі швидкістю більше 100 мкм / с. Це означає, що за одну секунду бактерія переміщається на відстань, яка в десять або більше разів перевищує її власну довжину. Цікаво провести аналогію з рухом систем макроскопічних розмірів. Наприклад, якщо б плавці долали за одну секунду відстань, на порядок перевищує їх власний ріст, то стометрову доріжку плавального басейну вони б пропливали приблизно за 5 с. Зазвичай електромотор бактерій обертається зі швидкістю, що досягає 50-100 оборотів в секунду, однак у деяких видів бактерій швидкість обертання перевищує 1000 оборотів в секунду. Електромотори, які можуть так швидко обертати джгутики бактерій, дуже економічні - вони споживають не більше 1% енергетичних ресурсів бактеріальної клітини.
Роберт Фрайтас і Адріано Кавальканті, одні з провідних світових вчених у галузі наномедицини, неодноразово заявляли, що саме подібні жгутикові мотори будуть найбільш ефективні в наноробототехніке.
Висновок
Отже, як ми бачимо, на перших порах немає необхідності розробляти будь-які "просунуті" актюатори, як це робив Ерік Дрекслер в "наносистемах". Для побудови перших примітивних наносистем достатньо і цих готових "цеглинок", які мільйони років ефективно працюють в природі. Але, як тільки можна буде конструювати довільні структури з алмазоіда з атомарною точністю, для багатьох нанопристроїв такі мотори будуть непридатні.
У всіх розглянутих вище біологічних моторів є ряд недоліків. Найважливіший недолік - мала ступінь керованості. Тобто, якщо ви захочете використовувати той же АТФазну мотор для управління наноманіпулятора, задати переміщення ротора в 10-20 ° буде практично неможливо, так як дискретність роботи мотора - 120 °. Звичайно, можна скористатися редукторами і іншими перетворювачами руху, але це ускладнить конструкцію і збільшить розмір пристрою. Також один з недоліків біомоторов - умова роботи в рідкому середовищі, що істотно обмежує їх коло застосування.
Але все-таки, повторюся, всі перераховані вище мотори як не можна краще підходять за характеристиками для сучасних досліджень в області нанотехнологій і нановиробництва. Так що протягом наступних 10-15 років їм не передбачається альтернативи.
Список літератури
1. Carlo Montemagno та ін, Nanotechnology 1910 (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. Молекулярні мотори, ІР file: / / / C: / Documents% 20and% 20Settings/Test/Desktop/Мотори/www.nature.ru, 2001
5. Peixuan Guo, Purdue University: Construction of a Viral Nanomotor Driven by a Synthetic RNA
6. Свідіненко Юрій: РНК може формувати будівельні блоки для наномашин
7. Richard M Berry, The Randall Institute, King's College London, London, UK: Bacterial Flagella: Flagellar Motor