Обзор биомолекулярных машин

     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.