Наноботите вътре в нас
Има наивници, които твърдят, че за милиарди години еволюция природата все още не е изобретила колелото. Ако трябваше да се свият до наномащаба и да пътуват в жива клетка, те биха видели не само колело, но и електрически двигатели, конвейери, поточни линии и дори ходещи роботи.
Според биолозите около четиридесет известни на науката молекулярни машини функционират в жива клетка. Те пренасят товари по молекулярни "релси", действат като "превключватели" и "превключватели" на химичните процеси. Молекулярните машини произвеждат енергия, за да поддържат живота, свиват мускулите ни и изграждат други молекулярни машини. Те също така вдъхновяват учените да създават създадени от човека нанороботи, които ще могат да живеят и работят във вътрешноклетъчния свят в бъдеще.
За да си представим какво и как учените-гуливери ще изградят малки роботи, ние разгледахме няколко наномашини, създадени от самата природа.
Експертно мнение
Александър Марков,биолог, популяризатор на науката, професор в Московския държавен университет:
В хода на еволюцията е много лесно да се създадат системи, които на пръв поглед изглеждат „нередуцируемо сложни“. Те се състоят от много части, които са полезни само всички заедно, премахнете една - и цялата система спира да работи, а всяка отделна част сама по себе си изглежда безполезна. Това кара някои учени да поставят под въпрос теорията за еволюцията като цяло. Но веднага щом започнете да разбирате, се оказва, че тези системи всъщност не са "нередуцируемо сложни". Премахването на някои от детайлите не разрушава молекулярната машина, а само намалява нейната ефективност. Това означава, че в миналото една машина можеше да съществува без тази част, а частта беше добавена по-късно, което увеличи ефективността на работа. Но дори премахването на детайла да направи молекулярнотомашината е неработеща, това може да е резултат от дълго взаимно "прилепване" на части. Трябва също така да се помни, че организъм, който няма някакъв вид молекулярна машина, ще се възползва дори от много проста, неефективна, едва работеща версия на нея.
флагелумни бактерии
Известният български биохимик, академик на Руската академия на науките Владимир Скулачев нарече движението на бактериите едно от най-удивителните природни явления: „Неговите изследвания нанесоха съкрушителен удар на нашия арогантен снобизъм, че биологичната еволюция, разполагаща с милиарди години, не може да изобрети колелото.
Схемата на „електрическия двигател“ на бактерията много повече напомня на инженерен чертеж, отколкото на изображение на жив организъм. Основната част от „мотора” е протеинът Mot A с йонни канали, благодарение на който потокът от протони кара ротора да се върти като турбина
За да се движат в течна среда, някои бактерии използват въртящ се флагел, който се задвижва от микроскопичен електрически мотор, сглобен от няколко протеинови молекули. Въртейки се до 1000 оборота в минута, флагелът може да избута бактерията напред с необичайно висока скорост - 100–150 µm/s. За секунда една клетка изминава разстояние, което надвишава нейната дължина повече от 50 пъти. Ако това се преведе в стойностите, с които сме свикнали, тогава спортист-плувец с височина 180 см ще трябва да преплува 50-метров басейн за половин секунда!
Метаболизмът на една бактерия е подреден по такъв начин, че положителните водородни йони (протони) се натрупват между вътрешната и външната мембрана на нейната клетка. Създава се електрохимичен потенциал, който увлича протони от междумембранното пространство в клетката. Този поток от протони преминава през "двигателя", задвижвайки го.
Протеиновата структура на "мотора" се нарича Mot комплекс,който от своя страна се състои от протеини Mot A (статор) и Mot B (ротор). Йонните канали в тях са подредени по такъв начин, че движението на протоните кара ротора да се върти като турбина. Чрез манипулиране на структурата на протеина някои бактерии са в състояние да променят посоката и скоростта на движение, а понякога дори да включат „обратното“.
Наличието на въртящи се части в живия организъм първоначално изглеждаше толкова невероятно, че изискваше сериозно експериментално потвърждение. Получени са няколко такива потвърждения. И така, в лабораторията на академик Скулачев бактерия с характерна форма (под формата на полумесец, където предната част на бактерията беше вдлъбната, задната - изпъкнала) беше прикрепена към стъклото с флагел и наблюдавана под микроскоп. Ясно се виждаше как бактерията се върти, като постоянно показваше на наблюдателя само предната част, „кухия си гръден кош“ и никога не обръщаше „гърба“.
АТФ синтаза
Протонната АТФ синтаза е най-малкият биологичен двигател в природата, широк само 10 nm. С негова помощ живите организми произвеждат аденозинтрифосфат (АТФ) - вещество, което служи като основен източник на енергия в клетката.
АТФ се състои от аденозин (съединение на азотната основа аденин, добре познато ни от ДНК и захарта на рибозата) и три последователно свързани към него фосфатни групи. Химичните връзки между фосфатните групи са много силни и съдържат много енергия. Тази консервирана енергия може да се използва за захранване на голямо разнообразие от биохимични реакции. Въпреки това, енергията трябва първо да бъде приложена по определен начин, за да се опаковат аденозиновите и фосфатните групи в молекула на АТФ. Това прави АТФ синтазата.
Мастните киселини и глюкозата, влизащи в тялото, преминават през многобройни цикли, по време на които специални ензимидихателната верига изпомпва положителни водородни йони (протони) в междумембранното пространство. Там се натрупват протони, като армия преди битка. Създава се потенциал: електрически (положителни заряди извън митохондриалната мембрана, отрицателни вътре в органелата) и химичен (има разлика в концентрацията на водородни йони: има по-малко вътре в митохондриите, повече отвън).
Известно е, че електрическият потенциал на митохондриалната мембрана, която служи като добър диелектрик, достига 200 mV при дебелина на мембраната само 10 nm.
Натрупани в междумембранното пространство, протоните, като електрически ток, се втурват обратно в митохондриите. Те преминават през специални канали в АТФ синтазата, която е вградена във вътрешната страна на мембраната. Потокът от протони върти ротора като река, въртяща водна мелница. Роторът се върти със скорост от 300 оборота в секунда, което е сравнимо с максималната скорост на двигателя на болид от Формула 1.
Както в случая с бактериалните флагели, движението на ротора на ATP синтазата беше потвърдено експериментално: чрез прикрепване на актин, дълга нишка, белязана с флуоресцентно багрило, към въртяща се област, учените видяха със собствените си очи, че се върти. И това е въпреки факта, че съотношението на размера им е същото, както ако човек размахва двукилометров камшик.
АТФ синтазата може да бъде сравнена по форма с гъба, „растяща“ от вътрешната страна на митохондриалната мембрана, докато описаният по-горе ротор е скрит в „мицела“. „Кракът на гъбата“ се върти заедно с ротора, а в края му (вътре в „шапката“) е фиксиран вид ексцентрик. Фиксираната "капачка" е условно разделена на три сегмента, всеки от които е деформиран, компресиран при преминаване през ексцентрика.
Молекули на аденозин дифосфат (ADP, сдве фосфатни групи) и остатъци от фосфорна киселина. В момента на компресия ADP и фосфатът се притискат един към друг достатъчно силно, за да образуват химическа връзка. При едно завъртане "ексцентрикът" деформира три "лобула" и се образуват три ATP молекули. Умножавайки това по броя секунди в деня и приблизителното количество АТФ синтази в тялото, получаваме невероятна цифра: около 50 кг АТФ се произвежда дневно в човешкото тяло.
Всички тънкости на този процес са изключително сложни и разнообразни. За разкодирането им, отнело почти сто години, са присъдени две Нобелови награди – през 1978 г. на Питър Мичъл и през 1997 г. на Джон Уокър и Пол Бойър.
Кинезинът е линеен молекулен двигател, който се движи около клетката по надлези - полимерни нишки. Подобно на пристанищен товарач, той влачи всякакъв вид товари (митохондрии, лизозоми) върху себе си, използвайки ATP молекули като гориво.
Външно кинезинът прилича на играчка „човек“, изтъкан от тънки въжета: той се състои от две идентични полипептидни вериги, чиито горни краища са изтъкани и свързани заедно, а долните краища са отделени и имат „ботуши“ в краищата - кълбовидни глави с размери 7,5 × 4,5 nm. При движение тези глави в долните краища последователно се откъсват от полимерния "път", кинезинът се завърта на 180 градуса около оста си и пренарежда едно от долните "крака" напред. Освен това, ако единият му край изразходва енергия (АТФ молекула) по време на движение, тогава другият по това време освобождава компонент за образуване на енергия, ADP. Резултатът е непрекъснат цикъл на доставка и разход на енергия за полезна работа.
Кинезинът, вървейки по "пътеките" на микротубулите, носи различни товари в клетката
Както показват проучванията, кинезинът може да върви доста веселоклетка с нейните „въжени“ крака: прави крачка с дължина само 8 nm, за секунда се придвижва до гигантско разстояние от 800 nm по клетъчните стандарти, тоест прави 100 стъпки в секунда. Опитайте се да си представите такива скорости в човешкия свят!
Изкуствени наномашини
Човекът, който тласна научния свят да създаде нанороботи, базирани на биологични молекулярни устройства, беше изключителният физик, нобелов лауреат Ричард Фейнман. Неговата лекция от 1959 г. със символичното заглавие „Има още много място там долу“ се смята от биоинженерите по света за отправна точка в тази нелека задача.
Пробивът, който направи възможно преминаването от теория към практика, се случи в началото на 90-те години. Тогава английските учени от университета в Шефилд Фрейзър Стодарт и Нийл Спенсър и италианският им колега Пиер Анели направиха първата молекулярна совалка - синтетично устройство, в което се извършва пространственото движение на молекулите. За създаването му се използва ротаксан - изкуствено вещество, в което пръстеновидна молекула (пръстен) е нанизана на линейна молекула (ос). Оттук и името на веществото: лат.rotaе колелото, аaxisе оста. Оста в rotaxane е оформена като дъмбел, за да се предотврати изплъзване на пръстена от пръта с помощта на обемни групи в краищата.
Базираната на ротаксан совалка движи пръстенната молекула по линейната линия, на която тя лежи, с помощта на протони (отслабващи или увеличаващи водородните връзки, които държат пръстенната молекула в центъра) и Брауново движение, избутвайки пръстена напред. Това е като гумена топка, хвърлена в поток и завързана за въже: разхлабете въжето (водородни връзки) и бързият поток (брауново движение) ще вземе топката и ще я понесе напред. Дръпнаха въжето - топката ще се върне обратно.
"Наномашина" е"четириколесна" молекула, създадена през 2005 г. от екип, ръководен от професор Джеймс Тур (Университет Райс). Той няма собствен двигател, но когато повърхността се нагрее до около 200 ° C, фулереновите колела започват да се въртят и машината се търкаля
През 2013 г. британски и шотландски биоинженери, водени от Дейвид Лей, успяха да създадат първия в света молекулярен нанотръбопровод: наномашина, способна да сглобява пептиди, къси протеини. В природата тази задача се изпълнява от рибозоми – органели, намиращи се в нашите клетки. Биоинженерите взеха молекулата на ротаксан като основа за своята машина и на нейната „пръчка“ успяха да сглобят протеин с дадено свойство от отделни аминокиселини. Вярно е, че в конкуренцията с естественото сглобяване на протеини в рибозомата, изкуствената молекулярна машина все още губи: отне 12 часа, за да прикрепи всеки аминокиселинен остатък, докато рибозомите се справят с тази задача за по-малко от секунда.
Въпреки това изследователите са оптимисти за тяхното развитие. „Получавате машина, която се движи прецизно, взима молекулярни градивни елементи и ги сглобява. Ако природата прави това, защо ние да не можем?" Професор Лей отбеляза.