Обзор биомолекулярных машин

     Введение 

     В основе биомиметики лежит понимание концепций и подражание природе в решении различных технологических задач и создании новых механизмов. Природные процессы являются чрезвычайно эффективными с точки зрения использования энергии и материалов, и показывают нам много различных путей для создания новых механизмов.

     Существует  два подхода в создании наномашин. Один из них основан на создании элементов наномашин, подобных элементам макромашин, другой основан на использовании биологических объектов, таких как белки и ДНК, в качестве нанокомпонентов машины. Область создания наномашин объединяет эти два подхода и наследует их характеристики, логику и преимущества (рисунок 1).  

     Рисунок 1 – Возможные подходы к созданию бионанороботов

     Наноробот – это управляемая машина на наноразмерном или молекулярном уровне, которая состоит из наноразмерных компонентов и реагирует согласно алгоритму на воздействие сил либо ввод команд. Исследования нанороботов сводятся к изучению вопросов их проектирования, производства, программирования и контроля.

     Существуют  некоторые характерные свойства, которыми должны обладать нанороботы:

1. Распределенный интеллект – децентрализация  и распределение интеллекта.
2. Самосборка и репликация – сборка на нано уровне и само поддержание
3. Способность к обработке информации и программируемости – для программирования и управления нанороботами.
4. Интерфейс между нано и макро миром – архитектура, позволяющая мгновенный доступ к нанороботам для управления и обслуживания.      

      1 Бионаномашины 

      Взрыв исследований в области нанотехнологий в сочетании с важными открытиями в области молекулярной биологии создали новый интерес в области биомолекулярных машин и роботов. Основная цель в области биомолекулярных машин заключается в использовании разных биологических элементов, которые выполняют свои запрограммированные биологические функции в ответ на конкретные физико-химические воздействия, но в искусственной обстановке. Таким образом, белки и ДНК могут выступать в качестве двигателей, механических соединений, элементов передачи, или датчиков. Если все эти различные компоненты были собраны вместе в надлежащей пропорции и ориентации, они будут обладать формой наноустройств с несколькими степенями свободы, способные применять силы и манипулировать объектами в наномасштабе. Преимуществом использования в бионаномашинах природных компонентов является то, что они обладают высокой эффективностью и надежностью. Так же, как обычные макромашины используются для создания сил и движений для выполнения конкретных задач, бионаномашины могут быть использованы для манипулирования нанообъектами, чтобы собрать и изготовить другие машины или продукты, для выполнения технического обслуживания или ремонта.

      Такие бионаномашины предполагаются стать частью арсенала будущих медицинских приборов и инструментов, которые будут:

      1) выполнять операции, проверки и лечения заболеваний в организме;

      2) достигать высокой точности и локализации для доставки лекарств, тем самым минимизируя посторонние эффекты. Рисунок 2 иллюстрирует идеализированную модель исполнения бионаномашиной восстановление инфицированной клетки в кровеносном сосуде.

      Рисунок 2 – Восстановление инфицированной клетки бионаномашиной 

      Бионаномашины смогут доставлять к инфицированной клетке терапевтический препарат, который сможет лечить или уничтожить только инфицированную клетку, не затрагивая окружающие здоровые клетки. Развитие компонентов  нанороботов, состоящих из простых биологических молекул является первым шагом в разработке будущих биомедицинских наноустройств. Поскольку планируемые сложные системы и устройства будут зависеть от этих компонентов, необходимо детальное понимания их функционирования. Начиная от простых понятий, таких как структурные связи, до более сложных понятий, как двигатели, каждая деталь должна быть изучена для понимания ее функциональных возможностей и пределов.

      На рисунке 3 перечислены наиболее важные компоненты роботизированной системы и сравнение между макро – и потенциальными бионанокомпонентами.

     На рисунке 4 показан пример нано-организма, с «ногами», сделанными из винтовых пептидов и тела с использованием углеродных нанотрубок, в то время как блок питания - биомолекулярный двигатель. Важно подчеркнуть, что обычная робототехника может быть использована в качестве примера для создания бионанороботов, функционирование которой обладает той же манерой. Появятся системы, которые будут иметь такие же характеристики подвижности для транспорта самих себя, как и для транспорта других объектов в заданную область. Некоторые бионанороботы могут быть задуманы к созданию дополнительных элементов и различных структур. Также могут быть роботы, которые выполняют физический труд, но и ощущают окружающую их среду и могут соответственно реагировать на нее. Нет сомнений, что биомедицинское применение будет движущей силой этих достижений.  
 
 
 
 
 

      Рисунок 3 – Эквивалентные макро- и бионанокомпоненты роботизированных систем 

     Рисунок 4 - Пример наноорганизма, с «ногами», сделанными из винтовых пептидов и тела с использованием углеродных нанотрубок и биомолекулярным двигателем 

     2 Обзор биомолекулярных машин 

       Большинство исследований в этой области в значительной степени сосредоточено на биомолекулярных двигателях, но также изучаются ряд других нанокомпонентов, таких как датчики и даже сборки компонентов в виде механизмов. Биомолекулярные двигатели привлекли большое внимание в последнее время, потому что, во-первых,  они работают с высокой эффективностью, во-вторых, некоторые из них могут быть самовоспроизводящимися и, следовательно, дешевле для массовго использование, и, в-третьих, они легко доступны в природе. Ряд ферментов функционирует как наноразмерные биологические  моторы, такие как кинезин, РНК-полимеразы, миозин, и аденозинтрифосфат (АТФ) синтазы.

     2.1 Мотор АТФазы  

     Окислительное фосфорилирование было продемонстрировано более 50 лет назад в качестве важного процесса, посредством которого наши тела накапливают энергию из пищи, которую мы едим. Механизм этого процесса не был известен до 1997 года, когда Бойер и Уокер описали ключевую роль АТФ-синтазы, которую играет в этом процессе. Согласно этому исследованию, γ субъединица, которая составляет около 1 нм в диаметре, вращается внутри Fl субъединице, которая составляет около 5 нм в диаметре, и производит момент вращения около 40 пН*нм. Монтемагно и его группа были первыми, кто показал, что вращение γ субъединицы двигателя АТФазы может быть использовано для создания наномеханических неорганических устройств, которые сочетают силу и необходимые размеры молекулярного мотора. В настоящее время изучается связывание металлов с аминокислотами белка двигателя. Эти эксперименты помогут поновому взглянуть на средства, с помощью которых энергия, получаемая из гидролиза АТФ, может быть преобразована в физическое действие накачки протона в одностороннем направлении.

     На рисунке 5 представлена схема строения АТФ-синтазы. 

     Рисунок 5 – Схема строения АТФ-синтазы

     На рисунке 6 представлена схема, иллюстрирующая способ доказательства того, что субъединица АТФ-синтазы вращается.

      Рисунок 6 – Схема  вращения γ субъединицы АТФ-синтазы:                        A – изменение положения дисульфидного мостика (S-S) в результате поворотов субъединицы внутри центральной полости комплекса F1;           Б – вращение актинового хвоста, прикрепленного к концу субъединицы   молекулы F1 , которая отделена от мембраны и зафиксирована на подложке с помощью специальных хвостиков  

     2.2 Кинезин и миозин 

     Двигательные  белки представляют собой очень  маленькие транспортирующие вещества, которые переносят молекулярный груз внутри клетки. Эти мельчайшие клеточные машины представлены тремя семействами: кинезинов, миозинов и динеинов.

     На  рисунке 7 представлено строение молекулы кинезина. Молекула кинезина состоит из двух тяжелых цепей молекулярной массой около 120 кДа (тысяч атомных единиц массы) и двух легких цепей массой 64 кДа. Тяжелые цепи формируют глобулярные моторные домены на одном конце молекулы, далее они скручиваются вместе, образуя так называемый димеризационный домен. Противоположный конец молекулы кинезина, образованный двумя легкими цепями, участвует в связывании груза (везикул, митохондрий). Известно более 14 семейств кинезиновых молекулярных моторов. В основном они осуществляют транспорт из центра клетки в направлении цитоплазматической мембраны. Моторы, перемещающие грузы по микротрубочкам в обратном направлении, относятся к семейству динеинов.

     Рисунок 7 – Строение молекулы кинезина 

     Рассмотрим работу молекулы кинезина. Совместно с микротрубками цитоскелета она выполняет транспорт веществ внутри клетки и перемещение везикул. Если провести аналогию с макромиром, то микротрубки играют роль рельсов, по которым перемещаются молекулы белков кинезина (вагоны), неся на себе полезный груз. Один конец этой молекулы прикрепляется к везикуле, которую необходимо транспортировать, а другой – к микротрубке, которая направляет движение. Молекулы кинезина выполняют работу практически во всех растениях и животных. 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 7,5х4,5х4,5 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. Интересно то, что молекула «шагает» вдоль микротрубки, делая 8-нанометровые шаги. На рисунке 8 кинезиновый комплекс перемещает органеллу меланосому (ответственную за синтез меланина) вдоль микротрубки. Для того, чтобы так шагнуть, молекула использует в качестве топлива 1 молекулу АТФ. При этом сила, развиваемая одной молекулой кинезина, составляет величину 6 пН. Если бы такой мощностью в расчете на единицу массы обладали автомобильные моторы, то они могли бы легко разгонять машины до скоростей, существенно превышающих скорость звука. Коэффициент полезного действия кинезинового мотора также велик – примерно 50%.

     Рисунок 8 – 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).

     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 (рисунок 9).

     Рисунок 9 – Кинезиновый наноконвейер 

     2.3 Жгутиковые моторы

     Бактерия Esherichia Coli (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.

     Рисунок 10 – Строение жгутикового мотора

     Как и протонные АТФ-синтазы, электромоторы бактерий являются устройствами, которые в качестве источника энергии используют разность протонных потенциалов на цитоплазматической мембране. Принципы работы АТФ-синтазы и бактериального мотора одинаковы, хотя сами эти конструкции различаются по своим размерам и устройству (рисунок 10,11). Можно с уверенностью сказать, что бактериальный мотор - аналог машины постоянного тока, созданной человеком.

     Рисунок 11 – 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.           

     2.4 Камера сгорания внутри вируса

     Биологические системы раньше человека использовали вращательное движение в молекулярных машинах. Молекулы РНК могут быть использованы в качестве строительных блоков для будущих наномашин. Профессор Пейхуан Гу описал работу вирального мотора на основе                 РНК-гексамера. РНК-гексамер – это комплекс, состоящий из шести отдельных РНК-мономеров.

     Рисунок 12 – Вирус phi29 выбрасывает ДНК из капсида

     Оказалось, что вирус-бактериофаг phi29 использует гексамер молекул РНК для выброса  молекулы ДНК из капсида вируса (рисунок 12). 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 (рисунок 13).

     Рисунок 13 – 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.           

     2.5 Синтетические моторы

     В дополнение к работе с уже существующими в природе  двигателями, значительные усилия также направлены на разработку синтетических молекулярных моторов. Структура АТФ-синтазы (вращающийся стержень внутри статического колеса) демонстрирует возможность использования ротаксанов в качестве потенциальных искусственных моделей природных двигателей. Ротаксаны – класс соединений, состоящих из молекулы гантелевидной формы и циклической молекулы, "надетой" на нее.

     Рисунок 14 – Структура ротаксана

     Винсенто Бальзани (Vincenzo Balzani) из университета Болоньи (Universita di Bologna) и его коллеги из Испании и США построили самый маленький и самый быстрый наномотор, состоящий из одной молекулы.

     Поперечник  двигателя, состоящего из молекулы ротаксана, составляет 5 нанометров. В её составе есть кольцевая структура способная смещаться вперёд и назад на расстояние 1,3 нанометра. При этом данное кольцо можно уподобить поршню классического ДВС, так как наномотор работает в четыре цикла. Только в качестве топлива в этой молекуле выступает электрон, который, будучи инициируемым солнечным светом, пробегает по цепочке атомов, заставляя смещаться кольцо. Затем электрон перебрасывается с одного конца молекулы на другой, заставляя "поршень" вернуться к исходному положению. КПД двигателя составляет 12%.

     Цикл  движений занимает примерно 100 микросекунд. Все перемещения кольца и электрона, выбиваемого светом, учёные уподобляют впрыску топлива и сгоранию, выхлопу, всасыванию и сжатию в ДВС. Авторы работы отмечают, что их двигатель-молекула работает достаточно долго, пока есть свет. По крайней мере, опыты показали устойчивость ротаксана после тысячи циклов работы. Кроме того, этот двигатель совершенно автономен, может быть разогнан до частоты 1 килогерца и не требует особых условий (функционирует в жидких растворах при комнатной температуре).

     Новый наномотор может использоваться для создания наномашин и "химических компьютеров", транспортировки лекарств внутри клеток и в других сходных областях применения.