По подсчетам биологов, в живой клетке функционирует около сорока известных науке молекулярных машин. Они возят грузы по молекулярным «рельсам», выступают в качестве «включателей» и «выключателей» химических процессов. Машины из молекул производят энергию для поддержания жизни, сокращают наши мышцы и строят другие молекулярные машины. А еще они вдохновляют ученых на строительство рукотворных нанороботов, которые в будущем смогут жить и работать во внутриклеточном мире.
Чтобы представить себе, из чего и как ученые-гулливеры будут строить роботов-лилипутов, мы рассмотрели несколько наномашин, созданных самой природой.
Жгутик бактерии
Известный российский биохимик, академик РАН Владимир Скулачёв назвал движение бактерий одним из самых поразительных явлений природы: «Его исследование нанесло сокрушительный удар по нашему высокомерному снобизму вроде того, что биологическая эволюция, имея в своем распоряжении миллиарды лет, так и не смогла изобрести колесо».
Для передвижения в жидкой среде некоторые бактерии используют вращающийся жгутик, который приводится микроскопическим электродвигателем, собранным из нескольких белковых молекул. Раскручиваясь до 1000 об/мин, жгутик может толкать бактерию вперед с необыкновенно большой скоростью — 100−150 мкм/с. За секунду одноклеточное перемещается на расстояние, превосходящее его длину более чем в 50 раз. Если это перевести на привычные нам величины, то спортсмен-пловец ростом в 180 см должен был бы переплывать 50-метровый бассейн за полсекунды!
Метаболизм бактерии устроен таким образом, что положительные ионы водорода (протоны) накапливаются между внутренней и внешней мембранами ее клетки. Создается электрохимический потенциал, увлекающий протоны из межмембранного пространства в клетку. Этот поток протонов проходит через «двигатель», приводя его в движение.
Белковую структуру «мотора» называют комплексом Mot, который, в свою очередь, состоит из белков Mot A (статора) и Mot B (ротора). Ионные каналы в них расположены таким образом, что движение протонов заставляет ротор вращаться подобно турбине. Манипулируя структурой белка, некоторые бактерии умеют изменять направление и скорость движения, а иногда даже включать «задний ход».
Наличие вращающихся частей у живого организма поначалу казалось столь невероятным, что потребовало серьезных экспериментальных подтверждений. Таких подтверждений было получено несколько. Так, в лаборатории академика Скулачёва бактерию характерной формы (в виде полумесяца, где передняя часть бактерии была вогнутой, задняя — выпуклой) прикрепляли жгутиком к стеклу и наблюдали за ней в микроскоп. Было хорошо видно, как бактерия вращается, постоянно показывая наблюдателю лишь переднюю часть, свою «впалую грудь», и никогда не поворачиваясь «спиной».
Схема «электродвигателя» бактерии гораздо больше напоминает инженерный чертеж, чем изображение живого организма. Главная деталь «мотора» — белок Mot A с ионными каналами, благодаря которым поток протонов заставляет ротор вращаться, как турбина.
АТФ-синтаза
Протонная АТФ-синтаза — самый маленький в живой природе биологический мотор шириной всего в 10 нм. С его помощью живые организмы вырабатывают аденозинтрифосфат (АТФ) — вещество, которое служит основным источником энергии в клетке.
АТФ состоит из аденозина (соединение хорошо знакомого нам по ДНК азотистого основания аденина и сахара рибозы и трех последовательно подсоединенных к нему фосфатных групп. Химические связи между фосфатными группами очень сильные и содержат много энергии. Эта консервированная энергия может пригодиться для питания самых разнообразных биохимических реакций. Однако сперва необходимо определенным образом приложить энергию, чтобы упаковать аденозин и фосфатные группы в молекулу АТФ. Этим и занимается АТФ-синтаза.
Поступающие в организм жирные кислоты и глюкоза проходят многочисленные циклы, в процессе которых специальные ферменты дыхательной цепи откачивают положительные ионы водорода (протоны) в межмембранное пространство. Там протоны накапливаются, как войско перед битвой. Создается потенциал: электрический (положительные заряды снаружи митохондриальной мембраны, отрицательные внутри органеллы) и химический (возникает разница концентраций ионов водорода: внутри митохондрии их меньше, снаружи больше).
Известно, что электрический потенциал на мембране митохондрий, которая служит хорошим диэлектриком, достигает 200 мВ при толщине мембраны всего 10 нм.
Накопившись в межмембранном пространстве, протоны, подобно электрическому току, устремляются назад, в митохондрию. Они проходят по специальным каналам в АТФ-синтазе, которая встроена во внутреннюю сторону мембраны. Поток протонов раскручивает ротор, будто река водяную мельницу. Ротор вращается со скоростью 300 оборотов в секунду, что сопоставимо с максимальными оборотами двигателя болида «Формулы-1». АТФ-синтазу по форме можно сравнить с грибом, «растущим» на внутренней стороне мембраны митохондрии, при этом описанный выше ротор прячется в «грибнице». «Ножка гриба» вращается вместе с ротором, и на ее конце (внутри «шляпки») закреплено некое подобие эксцентрика. Неподвижная «шляпка» условно делится на три дольки, каждая из которых деформируется, сжимается при прохождении эксцентрика. К «долькам» прикрепляются молекулы аденозиндифосфата (АДФ, с двумя фосфатными группами) и остатки фосфорной кислоты. В момент сжатия АДФ и фосфат прижимаются друг к другу достаточно сильно, чтобы образовать химическую связь. За один оборот «эксцентрик» деформирует три «дольки», и образуется три молекулы АТФ. Помножив это на количество секунд в сутках и примерное количество АТФ-синтаз в организме, мы получим удивительную цифру: ежедневно в человеческом теле вырабатывается примерно 50 кг АТФ.
Все тонкости этого процесса необычайно сложны и многообразны. За их расшифровку, которая потребовала почти ста лет, были вручены две Нобелевские премии — в 1978 году Питеру Митчеллу и в 1997 году Джону Уокеру и Полю Бойеру.
Как и в случае со жгутиками бактерий, движение ротора АТФ-синтазы было подтверждено экспериментально: прикрепив к вращающемуся участку помеченный флуоресцирующим красителем белок актин, похожий на длинную нить, ученые своими глазами увидели, что он вращается. И это несмотря на то, что соотношение размеров у них такое, как если бы человек размахивал двухкилометровой плетью.
Кинезин
Кинезин — это линейный молекулярный мотор, передвигающийся по клетке вдоль путепроводов — полимерных нитей. Будто портовый грузчик, он перетаскивает на себе всевозможные грузы (митохондрии, лизосомы), используя в качестве топлива молекулы АТФ.
Внешне кинезин похож на сплетенного из тонких веревок игрушечного «человечка»: он состоит из двух одинаковых полипептидных цепей, верхние концы которых сплетены и соединены вместе, а нижние расставлены в стороны и имеют на концах «ботинки» — глобулярные головки размером 7,5×4,5 нм. При движении эти головки на нижних концах поочередно отрываются от полимерной «тропинки», кинезин поворачивается на 180 градусов вокруг своей оси и переставляет одну из нижних «стоп» вперед. При этом если один его конец при движении тратит энергию (молекулу АТФ), то другой в это время высвобождает компонент для образования энергии, АДФ. В итоге получается непрерывный цикл подачи и траты энергии для полезной работы.
Как показали исследования, кинезин способен довольно бодро вышагивать по клетке своими «веревочными» ножками: делая шаг длиной всего 8 нм, за секунду он перемещается на гигантское по клеточным меркам расстояние в 800 нм, то есть делает 100 шагов в секунду. Попробуйте представить себе такие скорости в человеческом мире!
Кинезин, шагая по «тропинкам» из микротрубок, переносит различные грузы в клетке
Искусственные наномашины
Человеком, который подтолкнул научный мир к созданию нанороботов на основе биологических молекулярных устройств, стал выдающийся ученый-физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Его лекцию 1959 года с символичным названием «Там внизу еще много места» биоинженеры всего мира считают отправной точкой в этом нелегком деле.
Прорыв, позволивший перейти от теории к практике, случился в начале 1990-х годов. Тогда английские ученые из Университета Шеффилда, Фрэйзер Стоддарт и Нил Спенсер, и их итальянский коллега Пьер Анелли сделали первый молекулярный челнок — синтетическое устройство, в котором происходит пространственное перемещение молекул. Для его создания используют ротаксан — искусственное вещество, в котором кольцевая молекула (кольцо) нанизана на линейную молекулу (ось). Отсюда и название вещества: лат. rota — кoлесо и axis — ось. Ось в ротаксане имеет форму гантели, чтобы с помощью объемных групп на концах не позволять кольцу соскальзывать со стержня.
Челнок на основе ротаксана перемещает кольцевую молекулу вдоль линейной, на которой она держится, с помощью протонов (ослабляя или увеличивая водородные связи, удерживающие по центру кольцевую молекулу) и броуновского движения, толкающего вперед кольцо. Это похоже на брошенный в ручей резиновый мячик, привязанный к веревке: ослабили веревку (водородные связи) и стремительный ручей (броуновское движение) подхватит мяч и увлечет его вперед. Натянули веревку — мяч возвратится назад.
«Наномашина», «четырехколесная» молекула, созданная в 2005 году группой под руководством профессора Джеймса Тура (Университет Райса). Собственного мотора у нее нет, однако при нагревании поверхности до порядка 200 °C фуллереновые колеса начинают вращаться и машинка катится.
В 2010 году группа американских биоинженеров, Милан Стоянович и его коллеги, создали молекулярного наноробота, способного перемещаться по ДНК. В ходе эксперимента ученые смогли проследить, как их наноробот смог самостоятельно сделать 50 шагов и передвинуться на 100 нм. Робот, внешне напоминающий паука, может автономно выполнять несколько команд: «идти», «повернуть», «остановиться». По мнению авторов, он очень востребован в медицине в качестве доставщика лекарств в клетку.
В 2013 году английские и шотландские биоинженеры под руководством Дэвида Лея смогли создать первый в мире молекулярный наноконвейер: наномашину, способную собирать пептиды, короткие белки. В природе эту задачу выполняют рибосомы — органеллы, находящиеся в наших клетках. Биоинженеры взяли за основу для своей машины молекулу ротаксана и на ее «стержне» смогли собрать из отдельных аминокислот белок заданного свойства. Правда, в соревновании с природной сборкой белков в рибосоме искусственная молекулярная машина пока проигрывает: ей понадобилось 12 часов на присоединение каждого аминокислотного остатка, в то время как рибосомы справляются с этой задачей быстрее чем за секунду.
Несмотря на это, исследователи с оптимизмом рассматривают свою разработку. «Вы получаете машину, которая точно движется, поднимает молекулярные строительные блоки и ставит их вместе. Если природа делает это, почему не можем мы?» — отметил профессор Лей.
Экспертное мнение
Александр Марков, биолог, популяризатор науки, профессор МГУ: «В ходе эволюции очень легко возникают системы, выглядящие на первый взгляд «несократимо сложными». Они состоят из многих частей, которые приносят пользу только все вместе, убери одну — и вся система перестает работать, а каждая отдельная часть сама по себе вроде бы бесполезна. Это заставляет некоторых ученых поставить под сомнение теорию эволюции в целом. Но стоит начать разбираться, и выясняется, что эти системы на самом деле не являются «несократимо сложными». Удаление некоторых деталей не уничтожает молекулярную машину, а лишь снижает ее эффективность. Значит, в прошлом могла существовать машина без этой детали, а деталь присоединилась позже, что повысило эффективность работы. Но даже если удаление детали делает молекулярную машину нефункциональной, это может быть результатом долгой взаимной «притирки» деталей. Необходимо также помнить, что организму, не имеющему какой-то молекулярной машины, будет полезен даже очень простой, малоэффективный, едва работающий ее вариант».
