Биологические наномоторы: на основе АТФазы, белка кинезина, виральный, бактериальный

Биологические моторы, или наномоторы, – это три класса белковых молекул, которые обеспечивают все двигательные функции живых организмов, такие как миграция клеток, клеточное деление, внутриклеточный транспорт, мышечное сокращение

Мотор на основе энзима АТФазы

Энзим АТФ-синтаза предназначен для синтеза или гидролиза молекул АТФ(аденозинтрифосфорной кислоты), а также для переноса протонов (Н+) через мембрану клетки, чем обеспечивает стабильный внутриклеточный рН цитоплазмы.

АТФ состоит из двух отдельных частей:

(1) F0, гидрофобной части, связанной с мембраной, ответственной за транспорт протонов,

(2)  F1, гидрофильной части, ответственной за синтез и гидролиз АТФ

Вращение. По мере того как протоны протекают через F0 часть энзима, γ-субъединица части F1-ATФазы вращается по часовой стрелке и идет синтез АТФ.

Гидролиз АТФ происходит при вращении γ-субъединицы против часовой стрелки; при этом направление протекания протонов меняется на обратное.

Присоединив флуоресцентную микросферу диаметром 1 мкм к γ-субъединице АТФазы, удалось измерить радиальное отклонение микросферы при вращении γ-субъединицы, При добавлении к набору получившихся наномоторов 2 мM Na2ATФ и при присутствии в растворе 4 мM MgCl2 наблюдалось вращение микросферы, составляющее или 3-4 об/сек

По эффективности работы и развиваемой ею силе АТФаза существенно превосходит все известные в природе молекулярные моторы.

 Так, например, молекула АТФсинтазы приблизительно в 10 раз сильнее актомиозинового комплекса - молекулярной машины, специализирующейся в клетках мышц и различных органах на "профессиональном" выполнении механической работы.

Наномотор на основе белка кинезина.

Молекула кинезина представляет собой димер, образованный двумя одинаковыми полипептидными цепями.

Подобно молекуле миозина, с одной стороны каждой полипептидной цепи кинезина формируется глобулярная головка, соединенная со сравнительно длинным хвостом.

Линейные размеры головки сравнительно невелики, они составляют 7,5 х 4,5 х 4,5 нм.

Длина молекулы - 50 нанометров.

Хвосты двух мономерных цепей сплетены вместе, а наклоненные в разные стороны головки образуют своеобразную рогатину, которая непосредственно взаимодействует с глобулярными мономерами микротрубочки, вдоль которой перемещается кинезин

Эти белковые машины движутся вдоль полимерных нитей, используя в качестве "топлива" молекулы АТФ.

К таким моторам относятся белки актомиозинового комплекса, входящего в состав сократительного аппарата мышц. 

Совместно с микротрубками цитоскелета молекула кинезина выполняет транспорт веществ внутри клетки и перемещение везикул.

Один конец этой молекулы прикрепляется к везикуле, которую необходимо транспортировать, а другой - к микротрубке, которая направляет движение.

Если провести аналогию с макромиром, то микротрубки играют роль рельсов, по которым перемещаются молекулы белков кинезина (вагоны), неся на себе полезный груз.

Виральный мотор

Вирус-бактериофаг phi29 использует гексамер молекул РНК для выброса молекулы ДНК из капсида вируса .  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 . В центре ротора находится молекула ДНК. По мере того, как ротор вращается, молекула перемещается из капсида вируса во внешнее пространство

 Бактериальный мотор

Бактерия Esherichia Coli (E. Coli) - 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.

Бактерии плавают со средней скоростью около 25 мкм/с, но некоторые виды могут двигаться поступательно со скоростью больше 100 мкм/с.

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.