4 Июля 2019

Мир Молекулярных Машин

Опубликовал Н.А. Рыков

Молекулярные машины могут быть определены как устройства, которые могут производить полезную работу посредством взаимодействия отдельных молекул на молекулярной шкале длины.  Удобной единицей измерения на молекулярном уровне будет нанометр.  Следовательно, молекулярные машины также попадают в категорию наномашин.  Молекулярные машины зависят от меж- и внутримолекулярных взаимодействий для их функционирования.  Эти взаимодействия включают в себя такие силы, как ионные и Ван-дер-Ваальские силы, и являются функцией геометрии отдельных молекул.  Взаимодействие между двумя данными молекулами может быть хорошо понято набором законов, управляющих ими, что обеспечивает определенный уровень предсказуемости и управляемости основной механики.  У Матери Природы есть собственный набор молекулярных машин, которые работали на протяжении веков и с годами были оптимизированы для производительности и дизайна.  По мере того, как наши знания и понимание этих многочисленных машин продолжают увеличиваться, мы теперь видим возможность использования естественных машин или создания синтетических с нуля, имитируя природу.  В этом обзоре мы попытаемся понять принципы, теорию и полезность известных молекулярных машин, а также рассмотрим вопросы проектирования и управления для создания и модификации таких машин.  Большинство естественных молекулярных машин основано на белке, тогда как молекулярные машины на основе ДНК в основном синтетические.  Природа использует белки для выполнения различных клеточных задач, от перемещения груза до каталитических реакций, в то время как ДНК сохраняется в качестве носителя информации.  Следовательно, понятно, что большая часть естественного механизма построена из белков.  Благодаря мощным кристаллографическим методам, доступным сейчас, белковые структуры стали более четкими, чем когда-либо  Постоянно увеличивающаяся вычислительная мощность позволяет динамически моделировать процессы сворачивания белков и прогнозировать конформации и структуру менее известных белков.  Эти результаты помогают разгадать тайны, связанные с молекулярными механизмами, и проложить путь для производства и применения этих миниатюрных машин в различных областях, включая медицину, изучение космоса, электронику и военные технологии.  Мы делим молекулярные машины на три широкие категории - на основе белков, ДНК и химических молекулярных моторов.

Молекулярные машины на белковой основе

3 естественно существующих роторных двигателя были идентифицированы и детально изучены к настоящему времени. 2 образуют синтазу F0F1-АТФ, а третий - бактериально-жгутиковый мотор.  Молекулярные двигатели на основе белка полагаются на богатую энергией молекулу, известную как аденозинтрифосфат (АТФ), которая в основном является нуклеотидом, имеющим три молекулы фосфата, которые играют жизненно важную роль в его энергетике и делают ее незаменимым продуктом жизни.  Машины АТФаза F0-F1, суперсемейство кинезина, миозина и динеина белково-молекулярных машин, а также бактериально-жгутиковый мотор , прямо или косвенно, зависят от АТФ для их входной энергии.  Эти машины, которые в течение миллионов лет выполняли жизненно важные функции как внутри, так и снаружи клеток, теперь отделены от их естественной среды и рассматриваются как устройства преобразования энергии для получения сил, моментов и движения.  Один недостаток, связанный с зависимостью от ATФ, состоит в том, что само оборудование для создания ATФ может быть во много раз тяжелее и крупнее двигателей, что делает сборку более сложной.  Эти машины работают лучше всего в их естественной среде, и в ближайшем будущем, возможно, не удастся использовать их как часть возможного биомиметического молекулярного аппарата.

Молекулярные моторы/устройства на ДНК основе

Как известно, природа выбрала ДНК в основном в качестве носителя информации.  Не было никакой механической работы, предназначенной для неё.  Например, преобразование энергии, ее передача и восприятие были задачами, в основном предназначенными для белков. Вероятно, по этой причине ДНК оказывается более простой структурой, с только четырьмя видами нуклеотидных оснований: аденозином, тиамином, гуанином и цитозином (A, T, G и C), прикрепленными линейно, что занимает двойную спиральную конформацию в сочетании с комплементарной цепью. Такая структурная простота по сравнению с белками, состоящими из примерно 20 аминокислот со сложными структурами складывания, приводит к более простой структуре и предсказуемому поведению.  Есть определенные качества, которые делают ДНК привлекательным выбором для создания искусственных наномашин.  В последние годы ДНК нашла применение не только в механохимических, но и в наноэлектронных системах.  Двойная спиральная молекула ДНК имеет диаметр около 2 нм и спиральный шаг 3,4–3,6 нм, независимо от ее основного состава, структурной однородности не достигается с белковыми структурами, если изменить их последовательность. Кроме того, двухцепочечная ДНК (ds-DNA) имеет постоянную длину около 50 нм, что обеспечивает достаточную жесткость, для кандидатуры в компонент молекулярного механизма.  Одноцепочечная ДНК (ss-DNA) очень гибкая и не может использоваться там, где требуется жесткость; тем не менее, эта гибкость позволяет применять её в деталях машин, таких как  наноактюаторы. Её постоянная длина составляет около 1 нм, охватывая до 3 пар оснований при концентрации 1М соли.

Помимо вышеупомянутых структурных особенностей, два важных и исключительных свойства делают ДНК пригодной для построения на молекулярном уровне: молекулярное распознавание и самосборка.  Нуклеотидные основания A и T на двух разных ss-ДНК имеют сходство друг с другом, также как и G и C. Эффективные и стабильные структуры ds-ДНК образуются, только если порядки оснований отдельных цепей являются комплементарными.  Следовательно, если две комплементарные одиночные нити ДНК находятся в растворе, они в конечном итоге распознают друг друга и гибридизуются, образуя ds-ДНК.  Это свойство молекулярного распознавания и самосборки использовалось в качестве способа для создания сложных молекулярных структур.  С механической точки зрения, если для подъема гипотетической нагрузки используется свободная энергия, высвобождаемая в результате гибридизации двух цепей комплементарной ДНК, можно достичь силы воздействия 15 пН (FC Simmel & B.Yurke, неопубликованные данные), сравнимой с  другими молекулярными машинами, такими как кинезин (5 пН).

Неорганические (Химические) молекулярные машины

За последние два десятилетия химики научились создавать, модифицировать и контролировать многочисленные типы молекулярных машин.  Многие из этих машин поразительно похожи на наши повседневные макромасштабные машины, такие как шестерни, пропеллеры, челноки и т.д. Кроме того, все эти молекулярные машины легко синтезируются искусственно и, как правило, более устойчивы, чем естественные молекулярные машины. Большинство этих машин представляют собой органические соединения углерода, азота и водорода, причем иногда требуется присутствие иона металла.  Электростатические взаимодействия и ковалентные и водородные связи играют важную роль в работе этих машин. Такие искусственные химические машины могут управляться различными способами - химически, электрохимически и фотохимически (посредством облучения светом).  Некоторыми даже управляют несколькими способами, делая их более гибкими, что повышает их полезность.  Ученый может иметь больше свободы в отношении конструкции химических молекулярных машин в зависимости от условий и требований к производительности.  Ротаксаны и катенаны составляют основу многих молекулярных машин, которые относятся к этой категории.  Это семейства взаимосвязанных органических молекулярных соединений с отличительной формой и свойствами, которые определяют их эффективность и контроль.

Заключение

Недавний взрыв исследований в области нанотехнологий в сочетании с важными открытиями в молекулярной биологии вызвал новый интерес к биомолекулярным машинам и роботам.  Основная цель в области биомолекулярных машин - использовать различные биологические элементы, чья функция на клеточном уровне создает движение, силу или сигнал, - в качестве компонентов машины, которые выполняют ту же функцию в ответ на те же биологические стимулы, но в искусственной установке.  Таким образом, белки и ДНК могут действовать как двигатели, механические соединения, элементы передачи или датчики.  Если бы все эти компоненты были собраны вместе, они могли бы образовать наноустройства с множественными степенями свободы, могли бы прикладывать силы и манипулировать объектами в мире наноразмеров, передавать информацию из мира нано- в макромасштаб и даже путешествовать в наномасштабе.

Будущее молекулярной техники очень перспективное.  Мы находимся на пороге новой эры, в которой объединятся многие дисциплины, в том числе робототехника, механическая, химическая и биомедицинская инженерия, химия, биология, физика и математика, так что будут разработаны полностью функциональные системы.  Однако проблем, связанных с такой целью, предостаточно.  Разработка полной базы данных различных компонентов биомолекулярных машин и возможность сопряжения или сборки различных компонентов машин - вот некоторые из проблем, с которыми придется столкнуться в ближайшем будущем. 

Контакты института

Пн-Вс 8:00 - 19:00

undefined

Ближайшие события

Все события
Новые книги

Свежие новости

Читать все новости