Nanorobók belülünk, hogyan működnek a sejtek

A biológusok szerint körülbelül negyven molekuláris gép van a tudományban az élő sejtekben. A molekuláris "síneken" terheket hordoznak, a kémiai folyamatok "kapcsolóként" és "kapcsolóként" működnek. A molekulákból származó gépek energiát termelnek az élet fenntartásához, lecsökkentik az izmunkat és más molekuláris gépeket építenek. És ihletet adnak a tudósok számára, hogy olyan mesterséges nanorobotokat építsenek, amelyek a jövőben képesek lesznek élni és dolgozni az intracelluláris világban.

10 népszerű orvosi mítosz

Gyorsítás és lassulás: hogyan alakul a növekedés a korról a korra

Elképzelni, hogy a Gulliver-tudósok mi és hogyan építik majd a robotikus Lilliput-embereket, több nanomachint is megvizsgáltak, amelyeket maga a természet teremtett.

Flagellum baktériumok

A híres orosz biokémikus, akadémikus Vladimir Skulachev úgynevezett bakteriális mozgást az egyik legszembetűnőbb jelenség a természet: „Témaválasztásának vereségével a mi arrogáns sznobizmus, mint az a tény, hogy a biológiai evolúció volt, mielőtt milliárd évben, már nem volt képes feltalálni a kereket.”

Folyékony környezetben való mozgáshoz egyes baktériumok rotációs flagellumot használnak, amelyet több fehérjemolekulából összeállított mikroszkopikus elektromos motor hajt. 1000 fordulat / perc sebességgel történő propulálás esetén a flagellum szokatlanul nagy sebességgel tolja előre a baktériumot - 100-150 μm / s. Egy másodpercig az egysejtű távolság hosszabb hossza 50-szer nagyobb. Ha ez a szokásos értékekre lett lefordítva, akkor egy 180 cm magasságú úszó 50 másodperces úszómedencét kell úszni!

A baktériumok metabolizmusa úgy van elrendezve, hogy pozitív hidrogénionok (protonok) halmozódnak fel a sejt belső és külső membránjai között. Olyan elektrokémiai potenciált hoznak létre, amely az intermembrán térből a sejtbe átviheti a protonokat. Ez a proton áramlás áthalad a "motoron", vezetve.

A "motor" fehérje szerkezetét Mot komplexnek nevezik, amely viszont Mot A (stator) és Mot B (rotor) fehérjékből áll. Az ioncsatornák úgy vannak elrendezve, hogy a protonok mozgása a rotor turbina forgatását okozza. A fehérje szerkezetének manipulálása, egyes baktériumok megváltoztathatják a mozgás irányát és sebességét, és néha még egy "fordított" is lehetnek.

A forgó részek jelenléte egy élő szervezetben először olyan hihetetlennek tűnt, hogy komoly kísérleti megerősítést igényelt. Számos ilyen visszaigazolás érkezett. Így, a tudományos laboratóriumokban Skulachev baktérium jellegzetes alakja (félhold alakú, amelynél a mellső résznek van egy homorú baktériumok, hátsó - konvex) flagellum kapcsoltunk üveg és megfigyelt ez egy mikroszkóp. Jól látható, hogy a baktérium elfordul, folyamatosan csak az elülső részt, "üreges mellkasát" mutatta be a megfigyelőnek, és soha nem fordult hátra.

A baktérium "elektromos motorjának" rendszere sokkal inkább egy mérnöki rajz, mint egy élő szervezet képét ábrázolja. A "motor" fő része az A-fehérje, ioncsatornákkal, aminek következtében a protonáram a rotor turbina forgatását okozza.

ATP szintáz

A proton ATP szintáz a legkisebb a vad természetben egy biológiai motor szélessége mindössze 10 nm. Segítségével az élő szervezetek adenozin-trifoszfátot (ATP) állítanak elő - egy olyan anyag, amely a sejt fő energiaforrásaként szolgál.

ATP áll adenozin (jól összekeverjük számunkra ismerős a DNS-bázis az adenin és ribóz cukor és három sorozatban ehhez csatlakozó foszfát-csoportokat. A kémiai kötések közötti foszfát csoportok nagyon erős és amelyek sok energiát. Ez a konzerv energia hasznos lehet táplálni sokféle biokémiai reakciók. azonban először kell egy bizonyos módon, hogy az energia, hogy a csomagolás adenozin és foszfát csoportok az ATP molekula. Ez a célja az ATP szintáz.

Bekerül zsírsavak és a glükóz számos ciklus, amelynek során különleges légzési lánc enzimek evakuáltuk pozitív hidrogénionok (protonok) a intermembrán helyet. Ott a protonok harc előtt állnak fel hadseregként. Ez lehetőséget teremt: elektromos (pozitív töltések a külső a mitokondriális membrán, organellumok belsejében negatív) és kémiai (különbség van a hidrogénion-koncentráció: mitokondriumok belül kisebb kívül több).

Ismeretes, hogy a jó dielektrikummal rendelkező mitokondriális membrán elektromos potenciálja eléri a 200 mV-ot, mindössze 10 nm membránvastagsággal.

Az intermembrán térben felhalmozódnak, a protonok, mint egy elektromos áram, a mitokondriumba rohannak vissza. Az ATP szintázon speciális csatornákon haladnak keresztül, amelyek beépülnek a membrán belső oldalába. A protonok áramlása lazítja a rotorot, mint egy folyó vízmalom. A rotor 300 fordulat / másodperc sebességgel forog, ami megegyezik a Formula-1 autó maximális motorfordulatszámával. ATP szintáz alakja lehet hasonlítani egy gomba, „növekvő” a belsejében a mitokondriális membrán, amelyben a forgórész a fent leírt el van rejtve a „micélium”. A "gombafej" a rotorral együtt forog, és a végén (a "sapka" belsejében) egyfajta excentricitás van rögzítve. Az álló "kalap" feltételesen három szegmensre van osztva, amelyek mindegyike deformálódik, és az excenteren áthaladnak. A "lobulákhoz" adenozin-difoszfát (ADP, két foszfátcsoport) molekuláit és a foszforsav-maradékokat kapcsolják. A tömörítés idején az ADP és a foszfát egymáshoz erősen préselik, hogy kémiai kötést hozzon létre. Egy fordulattal az "excentrikus" három "lebenyt" deformál, és három ATP molekulát alakítanak ki. Beszorozva ezt a másodpercek száma egy nap alatt, és megközelítő mennyiségét ATP szintázok a szervezetben, akkor kap egy meglepő adat: minden nap az emberi szervezet által termelt mintegy 50 kg ATP.

Mivel a baktériumok esetében a csilló, a mozgás ATP szintáz rotor kísérletileg igazoltuk: rögzíti a forgó része fluoreszcens festékkel jelzett fehérje aktin, mint egy hosszú menet, a kutatók látták a saját szememmel, hogy forog. És ez annak ellenére, hogy az arány a mérete őket, mintha egy ember felmutatta egy két kilométeres ostor.

A kinesin egy lineáris molekuláris motor, amely a kapu mentén mozgatja a felüljárókat - a polimer szálakat. Portrakodóként mindenféle rakományt (mitokondriumokat, lizoszómákat) magával ragad, tüzelőanyagként ATP molekulákként.

Külsőleg kinezin, mint egy játék „ember” a vékony fonott kötelek: ez két azonos polipeptid lánc, a felső végei, amelyek a szövött és egymáshoz, és elrendezve az alsó oldalon, és a végükön a „cipő” - globuláris fej mérete 7,5 × 4 , 5 nm. Amikor mozog a fej alsó végein váltakozva jön le a polimer „utak” kinezin van forgatva 180 fokkal a tengelye körül, és átrendezi egyik alsó „stop” előre. Továbbá, ha az egyik végét a mozgás tölti energiával (ATP-molekula), a másik ebben az időben, hogy létrehozzák a komponens energiát szabadít ADP. Ennek eredményeként a folyamatos ellátási ciklus és a hasznos energia hasznosítható költségei nyerhetők.

Tanulmányok kimutatták, hogy kinezinnel képes meglehetősen fürgén ingerlés a ketrec az ő „kötél” láb: egy lépést hossza 8 nm, egy pillanatra költözött be egy óriási cella méri a távolságot 800 nm, vagyis teszi 100 lépés másodpercenként. Próbáld elképzelni az ilyen sebességet az emberi világban!

A kinesin, amely a mikrotömegek "ösvényei" mentén halad, különféle terheléseket hordoz egy ketrecben

Mesterséges nanogépek

Az a férfi, aki a biológiai molekuláris eszközökön alapuló nanorobotok létrehozására ösztönözte a tudományos világot, kiemelkedő fizikus volt, Nobel-díjas Richard Feynman. 1959-es előadása szimbolikus címmel "Még mindig sok a hely", a világméretű bioművészek a kiindulópontot tekintenék e nehéz ügyben.

Transzfer alapú rotaxane molekula mentén mozog a lineáris gyűrű alakú, amelyen azt tartják egy proton (csökkenti vagy növeli a hidrogénkötések, hogy tartsa a kapus gyűrű molekula) és a Brown-mozgás, a nyomógyűrű előre. Ez hasonló öntött a patak gumilabda csatolt egy kötelet: a kötél meglazult (hidrogénkötések) és a gyors folyam (Brown mozgás) felveszi a labdát, és csábítani őt előre. Meghúzták a kötelet - a labda visszatér.

Ennek ellenére a kutatók optimisták a fejlődésüket illetően. "Ön olyan autót kap, amely pontosan elmozdul, felemeli a molekuláris építőelemeket és összeállítja őket. Ha a természet ezt teszi, miért nem? "Mondta Lei professzor.

Szakértői vélemény

Alexander Markov, biológus, a tudomány népszerűsítője, Moszkvai Állami Egyetem professzora: "Az evolúció folyamán az első látásra felpillantó rendszerek" rendkívül összetettek "tűnnek nagyon könnyen. Sok olyan részből állnak, amelyek csak előnyben részesítik egymást, eltávolítják az egyiket - és az egész rendszer leáll, és minden egyes rész önmagában haszontalannak tűnik. Ezáltal néhány tudós megkérdőjelezi az evolúció elméletét általában. De érdemes megérteni, és kiderül, hogy ezek a rendszerek valójában nem "irreducibilis módon összetettek". Egyes részek eltávolítása nem pusztítja el a molekuláris gépet, hanem csak csökkenti hatékonyságát. Azt jelenti, hogy a múltban lehetett volna egy autó nélkül e rész, és a rész csatlakozott később, ami növelte a hatékonyságot a munka. De még akkor is, ha a rész eltávolítása a molekuláris gép működésképtelenné válik, ez a hosszú kölcsönös "csiszolás" eredménye lehet. Emlékeztetni kell arra is, hogy egy olyan szervezet, amely nem rendelkezik molekuláris géppel, még egy egyszerű, kevésbé hatékony, alig működő változatára is hasznos lehet. "