Биологический двигатель


Биологические моторы - Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Биологические моторы (англ. biological motors) — моторные белки и белковые комплексы, генерирующие механическое усилие для осуществления движения клеток, внутриклеточного транспорта и других биологических процессов.

Описание[ | ]

К биологическим моторам относят моторные белки, например, миозины, кинезины и динеины, обеспечивающие сокращение мышц, движение немышечных клеток, деление клеток, эндоцитоз, экзоцитоз, а также процессы внутриклеточного транспорта органелл и макромолекул. Перечисленные моторные белки принадлежат к так называемым линейным моторам, которые выполняют механическую работу, перемещаясь в одном направлении вдоль компонентов цитоскелета — микрофиламентов (миозины) или микротрубочек (кинезины и динеины).

В качестве топлива они используют аденозинтрифосфат (АТФ) — универсальный энергетический субстрат клетки. Обычно моторные белки, осуществляющие движение либо в прямом, либо в обратном направлениях, развивают при этом различное усилие. Все моторные белки регулируются клеточными системами, осуществляющими их активацию, торможение и взаимодействие с перевозимыми грузами.

У бактерий существует ротационный мотор, напоминающий по своему устройству электродвигатель, так называемый жгутиковый моторный комплекс. Он используется для вращения жгутиков и перемещения клеток в водной среде. Еще один белковый комплекс, совершающий вращательные движения, так называемый АТФ-синтаза, есть у всех живых организмов. В клетках животных и растений он встроен во внутреннюю мембрану митохондрий — энергетических станций клеток. Он использует электрохимический градиент протонов на митохондриальной мембране для синтеза АТФ. Этот мотор может работать и в обратном направлении — расщеплять АТФ и за счет полученной энергии создавать градиент протонов на мембране митохондрий.

Специальные моторные белки развивают значительное механическое усилие и совершают перемещения при работе с молекулами ДНК. К ним относятся ДНК-полимеразы и РНК-полимеразы, синтезирующие нуклеиновые кислоты на матрице ДНК; топоизомераза, расплетающая нити двухцепоцечной ДНК; белковые и РНК-белковые комплексы для упаковки вирусного генома в капсид.

В таблице приведены механические параметры некоторых представителей биологических моторов:

Мотор Сила, пН Шаг, нм Скорость, нм/с Эффективность, % (отн. F1-АТФазы)
РНК-полимераза 14—25 0,34 3,4—17 9—15
ДНК-полимераза 34 0,34 34—340 23
ДНК-упаковывающий мотор бактериофага Phi29 57 33
Кинезин 6 8 800—3000 40—60
Миозин 3—5 5—15 3000 12—42
F1-АТФаза 40 пН/нм 120° 4 об/с 100

Биологические моторы имеют наноразмеры и при этом зачастую более высокую эффективность по сравнению с макромоторами, созданными человеком. Они экологически безопасны и биосовместимы. Поскольку биологические моторы — это белковые молекулы, кодируемые соответствующими генами, возможно их конструирование с заданными свойствами с помощью генной инженерии. Привлекательность биомолекулярных моторов для нанотехнологий состоит и в том, что сегодня это практически единственные реально существующие наномоторы (разработка искусственных наномоторов находится на самых ранних стадиях).

Недостатком биологических моторов являются специальные условия работы: жидкая среда определенного солевого состава, температуры и pH. Это ограничивает область их применения. Однако эти требования не являются лимитирующими для применения биологических моторов в наномедицине, например, при создании диагностических лабораторий на чипе, систем доставки генов и лекарств, бионаноэлектромеханических систем (биоНЭМС) и др.

Литература[ | ]

  •  (англ.) Molecular Motors / Ed. by Schliwa, Manfred. — Weinheim: Wiley—VCH, 2002. — 582 p.

Ссылки[ | ]

encyclopaedia.bid

Создан необычный биологический двигатель использующий бактерий и процесс испарения воды

Создан необычный биологический двигатель, использующий бактерий и процесс испарения воды

    

Испарение воды - это один из основополагающих процессов земной биосферы, благодаря которому на Земле успешно существует многообразие различных форм жизни. Буквально в каждый момент времени с поверхности морей, океанов, рек и озер испаряется огромное количество воды, которая позже проливается живительными дождями или выпадает в виде снега. И недавно группа исследователей придумала способ, как заставить работать на благо человечества процесс испарения воды, создав на его базе практически бесконечный источник экологически чистой энергии, практически "вечный двигатель" основными элементами которого являются споры бактерий.

В естественных условиях споры большинства вида бактерий расширяются в несколько раз, попав под воздействие влаги. Попав опять в сухие условия, споры снова сокращаются, уменьшаясь в размерах. Именно это простое движение легло в основу принципов работы созданного учеными биологического двигателя.

Ученые нанесли множество спор бактерий определенного вида на поверхность липкой гибкой лены и получили так называемые гигроскопичные искусственные мускулы (hygroscopy driven artificial muscles, HYDRA). Когда лента со спорами попадает в среду с повышенной влажностью, споры расширяются, растягивая ленту. Когда влажность среды снижается, споры сжимаются, что заставляет ленту свиваться в спираль.

Множество лент с мускулами HYDRA были установлены на вращающемся барабане, половина которого скрыта под бумажным колпаком, смоченным водой, что создает градиент влажности, заставляющий ленты мускулов HYDRA поочередно разворачиваться и сворачиваться, изменяя баланс барабана и вынуждая его вращаться. При таком подходе ленты искусственных мускулов изменяют свой размер всего на 6 процентов, но и такого изменения достаточно для того, чтобы заставить двигаться, пусть и медленно, игрушечный автомобиль, весом 100 грамм. А соединенный с таким барабаном электрический генератор способен выработать энергию, достаточную для свечения светодиода.

Но исследователи не намерены останавливаться на достигнутых результатах. Сейчас они занимаются экспериментами с различными гибкими материалами и спорами бактерий различных видов, что должно увеличить деформацию искусственных мускулов до 70-80 процентов. Это, в свою очередь, позволит создать более мощные биологические двигатели и разработать другие подобные технологии, "топливом" для которых будет выступать только чистая вода.

[url=http://www.dailytechinfo.org/news/7109-sozdan-neobychnyy-biologicheskiy-dvigatel-ispolzuyuschiy-bakteriy-i-process-ispareniya-vody.html

piratbit.ru

Почвенные микробы - биологический двигатель планеты

Жизнь на нашей планете почти невозможно представить без маленьких и невидимых бактерий. А, между прочим, именно эти крохотные микроорганизмы принимают непосредственное участие во многих биологических процессах, без которых не может обойтись жизнь на нашей планете. Крохотные бактерии принимают непосредственное участие в круговороте важнейших элементов, таких, как калий и фосфор, углерод и азот.

Чтобы ярче представить то взаимодействие, которое возможен меж человеком и природой, можно пересмотреть или впервые открыть для себя голливудский фантастический фильм «Аватар» на сайте tushkan net - здесь вы можете онлайн просмотреть новинки проката и заслужившие популярность ленты прошлых лет.

Помимо участия в круговороте веществ, различные виды бактерий снабжают растения питательными элементами, производят переработку испорченных продуктов, превращая их в питательное органическое сырьё. И, конечно, именно бактерии принимают участие в разложении мёртвых организмов и другой органики. За долгие годы эволюции и бактерии, и живые организмы смогли приспособиться к друг другу, эффективно сотрудничая друг с другом. Причём это сотрудничество продолжается даже в наше время.

Например, взять тех же бактерий и растения, бактерии дают растениям питательные вещества, включая азот, а те же, в свою очередь, обеспечивают бактерии органическими веществами, которые выделяют в процессе жизнедеятельности своей корневой системы. Многие растения научились привлекать полезные бактерии путём обогащения почвы питательными веществами, необходимыми для жизнедеятельности этих микроорганизмов.

Но с хорошими бактериями к растениям приходят и плохие, которые, кроме вреда, не приносят никакой пользы. Такие бактерии, поселившись на внутренней стороне корня или на внешней части растения, вызывают различные болезни. Однако даже полезные бактерии, поселившись на растении, могут вызвать нежелательные эффекты с последующей гибелью растения.

Но за годы эволюции многие растения научились не только приспосабливаться к таким микроорганизмам, но и регулировать их число. Такое явления называется антибиоз, то есть, если говорить простыми словами, если растение взаимодействует с почвой и микроорганизмами, то происходит подавление фитопотогенов. Простой пример, некоторые виды бактерий могут подавлять рост парши, и при этом получать определённую выгоду от сотрудничества с растением.

18/12/2013

mikrobiki.ru

Обзор биологических наномоторов | Рефераты KM.RU

Обзор биологических наномоторов

Свидиненко Юрий (Svidinenko)

Многие молекулярные наномашины, давно работающие в живых организмах, могут послужить первыми строительными кирпичиками будущих нанороботов. Причем таких "моторов" в природе достаточно много. В этой статье мы расскажем об основных биомоторах и их возможном применении в наносистемах будущего.

Одним из препятствий, ограничивающих размеры МЭМС-устройств, является то, что до сих пор нет работоспособного миниатюрного мотора размерами около 500-100 нанометров. Недавно Алексом Зеттлом был продемонстрирован рабочий наномотор с размером ротора около 500 нанометров, но конструктивное исполнение мотора затрудняет его использование в МЭМС. Мотор был изготовлен на основе кремниевой подложки и золотых электродов. В качестве оси для ротора исследователи использовали нанотрубку.

До использования подобных "неорганических" моторов в микро- и наносистемах еще далеко - их трудно изготовить, а интегрировать в готовое МЭМС-устройство еще труднее. Сегодня многие исследователи настаивают на том, что биологические моторы сыграют не последнюю роль в качестве актюаторов в МЭМС-устройствах. Тем более, что можно наладить их массовое производство методами генной инженерии и биотехнологий уже сейчас. Да и технические характеристики (соотношение размера, массы, генерируемого механического момента и потребляемой энергии) биологических моторов достаточно неплохие. Некоторые исследователи заинтересованы в использовании бактериальных жгутиковых моторов в качестве актюаторов для наноробототехники.

Интересно также то, что различные типы биологических моторов соответствуют некоторым макроскопическим машинам по принципу действия. Майкл Маер, профессор химико-биологического отделения из Мичиганского университета, после изучения молекулы кинезина сказал: "Эти штуки - настоящие машины! Было бы замечательно искусственно построить одну из них".

Энзим АТФаза и некоторые жгутиковые моторы, например, работают аналогично обычному электродвигателю: ротор вращается внутри неподвижного статора. Молекула кинезина, перемещаясь вдоль микротрубок цитоскелета, напоминает линейный двигатель. А актюатор бактериофага phi29, выбрасывающий виральную ДНК из капсида внутрь клетки-хозяина, работает по принципу двигателя внутреннего сгорания с несколькими рабочими цилиндрами.

Необычный энзим

Энзим АТФ-синтаза предназначен для синтеза или гидролиза молекул АТФ, а также для переноса протонов (Н+)через мембрану клетки, чем обеспечивает стабильный внутриклеточный рН цитоплазмы. Ученые установили, что при гидролизе АТФ одна из частей энзима совершает вращательное движение. Тогда у исследователей-нанотехнологов и возник интерес к этому необычному энзиму.

АТФаза состоит из двух отдельных частей: (1) F0, гидрофобной части, связанной с мембраной, ответственной за транспорт протонов, и (2) F1, гидрофильной части, ответственной за синтез и гидролиз АТФ (см. рис.1).

Рисунок 1. Строение и модель энзима АТФаза

По мере того как протоны протекают через F0 часть энзима, γ-субъединица части F1-ATФазы вращается по часовой стрелке и идет синтез АТФ. Гидролиз АТФ происходит при вращении γ-субъединицы против часовой стрелки; при этом направление протекания протонов меняется на обратное. Субъединицы a, b, и c части F0-АТФазы формируют канал переноса протонов через клеточную мембрану. Места катализа и присоединения нуклеотидов были обнаружены исследователями (Kinosita и др., 1998) на трех а и трех b субъединицах части F1-ATФазы. γ-субъединица расположена в центре гексамера α3β3 и вращается при синтезе или гидролизе АТФ.

Самое удивительное заключается в том, что АТФаза представляет собой полную аналогию макроскопических моторов, сделанных человеком, которые тоже состоят из ротора и статора.

Группа исследователей из Корнелльского университета во главе с Карло Монтеманьо попыталась интегрировать этот природный наномотор [1] в НЭМС. Исследователям удалось измерить радиальное отклонение микросферы при вращении субъединицы, когда они присоединили флуоресцентную микросферу диаметром 1 мкм к γ-субъединице АТФазы (см. рис.2).

Рисунок 2. Строение наномотора и микрофотографии радиального отклонения микросферы

При добавлении к набору получившихся наномоторов 2 мM Na2ATФ и при присутствии в растворе 4 мM MgCl2 дифференциальным интерферометром наблюдалось вращение микросферы, составляющее 9.5-10.5 Гц, или 3-4 об/сек. Причем вращение представляло собой дискретные изменения угла, образованного γ-субъединицей и α3β3 - комплексом, каждый раз на 120°.

Дальнейшие исследования будут направлены на изучение инженерных свойств мотора и его производительности. Это необходимо для дальнейшей разработки функционирующих наномеханических устройств, приводимых в движение F1-АТФазой. Нужно, например, определить зависимость производительности мотора как обобщенную функцию от теплоотдачи, выхода протонов, рН, загрузки энзима молекулами АТФ. Более того, необходимо изучить взаимодействие между субъединицами α3β3γ, чтобы в будущем методами протеиновой инженерии улучшить производительность мотора, если это будет возможно.

АТФсинтаза является своего рода рекордсменом среди молекулярных моторов своей "весовой категории". По эффективности работы и развиваемой ею силе она существенно превосходит все известные в природе молекулярные моторы. Так, например, молекула АТФсинтазы приблизительно в 10 раз сильнее актомиозинового комплекса - молекулярной машины, специализирующейся в клетках мышц и различных органах на "профессиональном" выполнении механической работы. Таким образом, за сотни миллионов лет до того, как появился человек, который изобрел колесо, преимущества вращательного характера движения были успешно реализованы Природой на молекулярном уровне.

Рис. 3. Наноробот с пропеллером на АТФазе

Уже существуют первые проекты интеграции моторов на основе АТФазы в будущую наноробототехнику. Доктор Константин Мавродис из Рутгерского университета предложил "блочную схему" одного из простейших нанороботов, который использует именно такой мотор (см. рис. 3). Тело наноробота состоит из нанотрубки, манипуляторы выполнены в виде сложных пептидных цепей. Пропеллер (правда, по последним данным математического моделирования, пропеллерные системы актюации в нано- и микроразмерных вязких средах неэффективны), обеспечивающий передвижение в вязких средах, расположен на АТФазе. Как утверждает автор, подобные гибридные устройства могут появиться уже через 10 лет. Правда, Константин не акцентирует внимание на системах управления такими устройствами, что само по себе представляет более сложную задачу, чем приведение его в движение.

Самый маленький в мире грузчик

Другой не менее известный биологический мотор, который тоже будет полезен нанотехнологам, - молекула белка кинезина. Это представитель другого класса линейных моторов. Среди механохимических преобразователей энергии, распространенных в живой природе, они играют важную роль. Эти белковые машины движутся вдоль полимерных нитей, используя в качестве "топлива" молекулы АТФ. К таким моторам относятся белки актомиозинового комплекса, входящего в состав сократительного аппарата мышц. Движение микроворсинок (жгутиков и ресничек бактерий и простейших) определяется взаимодействием другой пары моторных белков - динеина и тубулина. Смещение головок динеина относительно тубулиновых микротрубочек белков обеспечивает волнообразные движения микроворсинок. Среди большого числа моторных белков миозин скелетных мышц и кинезин из клеток мозга являются наиболее изученными молекулярными моторами. Несмотря на то, что функции миозина и кинезина в клетке различаются, они удивительно похожи по своему строению и механизмам действия.

Расскажем, как работает молекула 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 (см. рис. 4).

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 7,5 х 4,5 х 4,5 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.

Рис. 4. Строение молекулы кинезина

Интересно то, что молекула "шагает" вдоль микротрубки (см. рис.5), делая 8-нанометровые шаги. На рисунке 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%.

Рис. 5. 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).

Рис. 6. Кинезиновый наноконвейер

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. Движения микротрубок можно увидеть на этом видео. Запись велась с помощью оптического микроскопа.

В дальнейшем команда планирует создать микрочипы со встроенными конвейерами, работающими в разных направлениях. Это, конечно, будет большим плюсом для будущих систем наносборки, так как НЭМС-конвейеры пока сделать достаточно трудно. Наверняка такие транспортные системы будут полезны и в лабораториях-на-чипе.

Камера сгорания внутри вируса

Как мы уже видели, биологические системы раньше человека использовали вращательное движение в молекулярных машинах. Ранее мы уже рассказывали о том, как молекулы РНК могут быть использованы в качестве строительных блоков для будущих наномашин. Однако до проведения этой работы профессор Пейхуан Гу описал работу вирального мотора на основе РНК-гексамера. РНК-гексамер - это комплекс, состоящий из шести отдельных РНК-мономеров.

Рис. 7. Вирус phi29 выбрасывает ДНК из капсида

Оказалось, что вирус-бактериофаг phi29 использует гексамер молекул РНК для выброса молекулы ДНК из капсида вируса (см. рис. 7). 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 (см. рис. 8).

Рис. 8. 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.

Дайтер Молл, исследователь из группы Гу, говорит, что "самосборка молекул РНК позволит значительно уменьшить стоимость будущих РНК-НЭМС."

Жгутиковый мотор

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.

Рис. 9. Строение жгутикового мотора

Как и протонные АТФсинтазы, электромоторы бактерий являются устройствами, которые в качестве источника энергии используют разность протонных потенциалов на цитоплазматической мембране. Принципы работы АТФсинтазы и бактериального мотора одинаковы, хотя сами эти конструкции различаются по своим размерам и устройству (см. рис. 9, 10). Можно с уверенностью сказать, что бактериальный мотор - аналог машины постоянного тока, созданной человеком.

Рис. 10. 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.

Заключение

Итак, как мы видим, на первых порах нет необходимости разрабатывать какие-либо "продвинутые" актюаторы, как это делал Эрик Дрекслер в "Наносистемах". Для построения первых примитивных наносистем достаточно и этих готовых "кирпичиков", которые миллионы лет эффективно работают в природе. Но, как только можно будет конструировать произвольные структуры из алмазоида с атомарной точностью, для многих наноустройств такие моторы будут непригодны.

У всех рассмотренных выше биологических моторов есть ряд недостатков. Важнейший недостаток - малая степень управляемости. То есть, если вы захотите использовать тот же АТФазный мотор для управления наноманипулятором, задать перемещение ротора в 10-20° будет практически невозможно, так как дискретность работы мотора - 120°. Конечно, можно воспользоваться редукторами и прочими преобразователями движения, но это усложнит конструкцию и увеличит размер устройства. Также один из недостатков биомоторов - условие работы в жидкой среде, что существенно ограничивает их круг применения.

Но все-таки, повторюсь, все вышеперечисленные моторы как нельзя лучше подходят по характеристикам для современных исследований в области нанотехнологий и нанопроизводства. Так что в течение следующих 10-15 лет им не предвидится альтернативы.

Список литературы

1. Carlo Montemagno и др., Nanotechnology 10 (1999) 225-231. Constructing Biological Motor Powered Nanomechanical Devices.

2. ISA: Engineering team working to create nanomotor

3. Constantinos Mavroidis, Ph.D., Associate Professor Department of Mechanical and Aerospace Engineering Rutgers University: PROTEIN BASED NANO-MACHINES FOR SPACE APPLICATIONS;

4. А. Н. Тихонов. Молекулярные моторы, ИР file:///C:/Documents%20and%20Settings/Test/Desktop/Моторы/www.nature.ru, 2001

5. Peixuan Guo, Purdue University: Construction of a Viral Nanomotor Driven by a Synthetic RNA

6. Свидиненко Юрий: РНК может формировать строительные блоки для наномашин

7. Richard M Berry, The Randall Institute, King’s College London, London, UK: Bacterial Flagella: Flagellar Motor

Дата добавления: 31.01.2005

www.km.ru

Обзор биологических наномоторов

Свидиненко Юрий (Svidinenko)

Многие молекулярные наномашины, давно работающие в живых организмах, могут послужить первыми строительными кирпичиками будущих нанороботов. Причем таких "моторов" в природе достаточно много. В этой статье мы расскажем об основных биомоторах и их возможном применении в наносистемах будущего.

Одним из препятствий, ограничивающих размеры МЭМС-устройств, является то, что до сих пор нет работоспособного миниатюрного мотора размерами около 500-100 нанометров. Недавно Алексом Зеттлом был продемонстрирован рабочий наномотор с размером ротора около 500 нанометров, но конструктивное исполнение мотора затрудняет его использование в МЭМС. Мотор был изготовлен на основе кремниевой подложки и золотых электродов. В качестве оси для ротора исследователи использовали нанотрубку.

До использования подобных "неорганических" моторов в микро- и наносистемах еще далеко - их трудно изготовить, а интегрировать в готовое МЭМС-устройство еще труднее. Сегодня многие исследователи настаивают на том, что биологические моторы сыграют не последнюю роль в качестве актюаторов в МЭМС-устройствах. Тем более, что можно наладить их массовое производство методами генной инженерии и биотехнологий уже сейчас. Да и технические характеристики (соотношение размера, массы, генерируемого механического момента и потребляемой энергии) биологических моторов достаточно неплохие. Некоторые исследователи заинтересованы в использовании бактериальных жгутиковых моторов в качестве актюаторов для наноробототехники.

Интересно также то, что различные типы биологических моторов соответствуют некоторым макроскопическим машинам по принципу действия. Майкл Маер, профессор химико-биологического отделения из Мичиганского университета, после изучения молекулы кинезина сказал: "Эти штуки - настоящие машины! Было бы замечательно искусственно построить одну из них".

Энзим АТФаза и некоторые жгутиковые моторы, например, работают аналогично обычному электродвигателю: ротор вращается внутри неподвижного статора. Молекула кинезина, перемещаясь вдоль микротрубок цитоскелета, напоминает линейный двигатель. А актюатор бактериофага phi29, выбрасывающий виральную ДНК из капсида внутрь клетки-хозяина, работает по принципу двигателя внутреннего сгорания с несколькими рабочими цилиндрами.

Необычный энзим

Энзим АТФ-синтаза предназначен для синтеза или гидролиза молекул АТФ, а также для переноса протонов (Н+) через мембрану клетки, чем обеспечивает стабильный внутриклеточный рН цитоплазмы. Ученые установили, что при гидролизе АТФ одна из частей энзима совершает вращательное движение. Тогда у исследователей-нанотехнологов и возник интерес к этому необычному энзиму.

АТФаза состоит из двух отдельных частей: (1) F0, гидрофобной части, связанной с мембраной, ответственной за транспорт протонов, и (2) F1, гидрофильной части, ответственной за синтез и гидролиз АТФ (см. рис.1).

Рисунок 1. Строение и модель энзима АТФаза

По мере того как протоны протекают через F0 часть энзима, γ-субъединица части F1-ATФазы вращается по часовой стрелке и идет синтез АТФ. Гидролиз АТФ происходит при вращении γ-субъединицы против часовой стрелки; при этом направление протекания протонов меняется на обратное. Субъединицы a, b, и c части F0-АТФазы формируют канал переноса протонов через клеточную мембрану. Места катализа и присоединения нуклеотидов были обнаружены исследователями (Kinosita и др., 1998) на трех а и трех b субъединицах части F1-ATФазы. γ-субъединица расположена в центре гексамера α3β3 и вращается при синтезе или гидролизе АТФ.

Самое удивительное заключается в том, что АТФаза представляет собой полную аналогию макроскопических моторов, сделанных человеком, которые тоже состоят из ротора и статора.

Группа исследователей из Корнелльского университета во главе с Карло Монтеманьо попыталась интегрировать этот природный наномотор [1] в НЭМС. Исследователям удалось измерить радиальное отклонение микросферы при вращении субъединицы, когда они присоединили флуоресцентную микросферу диаметром 1 мкм к γ-субъединице АТФазы (см. рис.2).

Рисунок 2. Строение наномотора и микрофотографии радиального отклонения микросферы

При добавлении к набору получившихся наномоторов 2 мM Na2ATФ и при присутствии в растворе 4 мM MgCl2 дифференциальным интерферометром наблюдалось вращение микросферы, составляющее 9.5-10.5 Гц, или 3-4 об/сек. Причем вращение представляло собой дискретные изменения угла, образованного γ-субъединицей и α3β3 - комплексом, каждый раз на 120°.

Дальнейшие исследования будут направлены на изучение инженерных свойств мотора и его производительности. Это необходимо для дальнейшей разработки функционирующих наномеханических устройств, приводимых в движение F1-АТФазой. Нужно, например, определить зависимость производительности мотора как обобщенную функцию от теплоотдачи, выхода протонов, рН, загрузки энзима молекулами АТФ. Более того, необходимо изучить взаимодействие между субъединицами α3β3γ, чтобы в будущем методами протеиновой инженерии улучшить производительность мотора, если это будет возможно.

АТФсинтаза является своего рода рекордсменом среди молекулярных моторов своей "весовой категории". По эффективности работы и развиваемой ею силе она существенно превосходит все известные в природе молекулярные моторы. Так, например, молекула АТФсинтазы приблизительно в 10 раз сильнее актомиозинового комплекса - молекулярной машины, специализирующейся в клетках мышц и различных органах на "профессиональном" выполнении механической работы. Таким образом, за сотни миллионов лет до того, как появился человек, который изобрел колесо, преимущества вращательного характера движения были успешно реализованы Природой на молекулярном уровне.

Рис. 3. Наноробот с пропеллером на АТФазе

Уже существуют первые проекты интеграции моторов на основе АТФазы в будущую наноробототехнику. Доктор Константин Мавродис из Рутгерского университета предложил "блочную схему" одного из простейших нанороботов, который использует именно такой мотор (см. рис. 3). Тело наноробота состоит из нанотрубки, манипуляторы выполнены в виде сложных пептидных цепей. Пропеллер (правда, по последним данным математического моделирования, пропеллерные системы актюации в нано- и микроразмерных вязких средах неэффективны), обеспечивающий передвижение в вязких средах, расположен на АТФазе. Как утверждает автор, подобные гибридные устройства могут появиться уже через 10 лет. Правда, Константин не акцентирует внимание на системах управления такими устройствами, что само по себе представляет более сложную задачу, чем приведение его в движение.

Самый маленький в мире грузчик

Другой не менее известный биологический мотор, который тоже будет полезен нанотехнологам, - молекула белка кинезина. Это представитель другого класса линейных моторов. Среди механохимических преобразователей энергии, распространенных в живой природе, они играют важную роль. Эти белковые машины движутся вдоль полимерных нитей, используя в качестве "топлива" молекулы АТФ. К таким моторам относятся белки актомиозинового комплекса, входящего в состав сократительного аппарата мышц. Движение микроворсинок (жгутиков и ресничек бактерий и простейших) определяется взаимодействием другой пары моторных белков - динеина и тубулина. Смещение головок динеина относительно тубулиновых микротрубочек белков обеспечивает волнообразные движения микроворсинок. Среди большого числа моторных белков миозин скелетных мышц и кинезин из клеток мозга являются наиболее изученными молекулярными моторами. Несмотря на то, что функции миозина и кинезина в клетке различаются, они удивительно похожи по своему строению и механизмам действия.

Расскажем, как работает молекула 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 (см. рис. 4).

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 7,5 х 4,5 х 4,5 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.

Рис. 4. Строение молекулы кинезина

Интересно то, что молекула "шагает" вдоль микротрубки (см. рис.5), делая 8-нанометровые шаги. На рисунке 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%.

Рис. 5. 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).

Рис. 6. Кинезиновый наноконвейер

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. Движения микротрубок можно увидеть на этом видео. Запись велась с помощью оптического микроскопа.

В дальнейшем команда планирует создать микрочипы со встроенными конвейерами, работающими в разных направлениях. Это, конечно, будет большим плюсом для будущих систем наносборки, так как НЭМС-конвейеры пока сделать достаточно трудно. Наверняка такие транспортные системы будут полезны и в лабораториях-на-чипе.

Камера сгорания внутри вируса

Как мы уже видели, биологические системы раньше человека использовали вращательное движение в молекулярных машинах. Ранее мы уже рассказывали о том, как молекулы РНК могут быть использованы в качестве строительных блоков для будущих наномашин. Однако до проведения этой работы профессор Пейхуан Гу описал работу вирального мотора на основе РНК-гексамера. РНК-гексамер - это комплекс, состоящий из шести отдельных РНК-мономеров.

Рис. 7. Вирус phi29 выбрасывает ДНК из капсида

Оказалось, что вирус-бактериофаг phi29 использует гексамер молекул РНК для выброса молекулы ДНК из капсида вируса (см. рис. 7). 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 (см. рис. 8).

Рис. 8. 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.

Дайтер Молл, исследователь из группы Гу, говорит, что "самосборка молекул РНК позволит значительно уменьшить стоимость будущих РНК-НЭМС."

Жгутиковый мотор

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.

Рис. 9. Строение жгутикового мотора

Как и протонные АТФсинтазы, электромоторы бактерий являются устройствами, которые в качестве источника энергии используют разность протонных потенциалов на цитоплазматической мембране. Принципы работы АТФсинтазы и бактериального мотора одинаковы, хотя сами эти конструкции различаются по своим размерам и устройству (см. рис. 9, 10). Можно с уверенностью сказать, что бактериальный мотор - аналог машины постоянного тока, созданной человеком.

Рис. 10. 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.

Заключение

Итак, как мы видим, на первых порах нет необходимости разрабатывать какие-либо "продвинутые" актюаторы, как это делал Эрик Дрекслер в "Наносистемах". Для построения первых примитивных наносистем достаточно и этих готовых "кирпичиков", которые миллионы лет эффективно работают в природе. Но, как только можно будет конструировать произвольные структуры из алмазоида с атомарной точностью, для многих наноустройств такие моторы будут непригодны.

У всех рассмотренных выше биологических моторов есть ряд недостатков. Важнейший недостаток - малая степень управляемости. То есть, если вы захотите использовать тот же АТФазный мотор для управления наноманипулятором, задать перемещение ротора в 10-20° будет практически невозможно, так как дискретность работы мотора - 120°. Конечно, можно воспользоваться редукторами и прочими преобразователями движения, но это усложнит конструкцию и увеличит размер устройства. Также один из недостатков биомоторов - условие работы в жидкой среде, что существенно ограничивает их круг применения.

Но все-таки, повторюсь, все вышеперечисленные моторы как нельзя лучше подходят по характеристикам для современных исследований в области нанотехнологий и нанопроизводства. Так что в течение следующих 10-15 лет им не предвидится альтернативы.

Список литературы

1. Carlo Montemagno и др., Nanotechnology 10 (1999) 225-231. Constructing Biological Motor Powered Nanomechanical Devices.

2. ISA: Engineering team working to create nanomotor

3. Constantinos Mavroidis, Ph.D., Associate Professor Department of Mechanical and Aerospace Engineering Rutgers University: PROTEIN BASED NANO-MACHINES FOR SPACE APPLICATIONS;

4. А. Н. Тихонов. Молекулярные моторы, ИР file:///C:/Documents%20and%20Settings/Test/Desktop/Моторы/www.nature.ru, 2001

5. Peixuan Guo, Purdue University: Construction of a Viral Nanomotor Driven by a Synthetic RNA

6. Свидиненко Юрий: РНК может формировать строительные блоки для наномашин

7. Richard M Berry, The Randall Institute, King’s College London, London, UK: Bacterial Flagella: Flagellar Motor

baza-referat.ru

Обзор биологических наномоторов

Свидиненко Юрий (Svidinenko)

Многие молекулярные наномашины, давно работающие в живых организмах, могут послужить первыми строительными кирпичиками будущих нанороботов. Причем таких "моторов" в природе достаточно много. В этой статье мы расскажем об основных биомоторах и их возможном применении в наносистемах будущего.

Одним из препятствий, ограничивающих размеры МЭМС-устройств, является то, что до сих пор нет работоспособного миниатюрного мотора размерами около 500-100 нанометров. Недавно Алексом Зеттлом был продемонстрирован рабочий наномотор с размером ротора около 500 нанометров, но конструктивное исполнение мотора затрудняет его использование в МЭМС. Мотор был изготовлен на основе кремниевой подложки и золотых электродов. В качестве оси для ротора исследователи использовали нанотрубку.

До использования подобных "неорганических" моторов в микро- и наносистемах еще далеко - их трудно изготовить, а интегрировать в готовое МЭМС-устройство еще труднее. Сегодня многие исследователи настаивают на том, что биологические моторы сыграют не последнюю роль в качестве актюаторов в МЭМС-устройствах. Тем более, что можно наладить их массовое производство методами генной инженерии и биотехнологий уже сейчас. Да и технические характеристики (соотношение размера, массы, генерируемого механического момента и потребляемой энергии) биологических моторов достаточно неплохие. Некоторые исследователи заинтересованы в использовании бактериальных жгутиковых моторов в качестве актюаторов для наноробототехники.

Интересно также то, что различные типы биологических моторов соответствуют некоторым макроскопическим машинам по принципу действия. Майкл Маер, профессор химико-биологического отделения из Мичиганского университета, после изучения молекулы кинезина сказал: "Эти штуки - настоящие машины! Было бы замечательно искусственно построить одну из них".

Энзим АТФаза и некоторые жгутиковые моторы, например, работают аналогично обычному электродвигателю: ротор вращается внутри неподвижного статора. Молекула кинезина, перемещаясь вдоль микротрубок цитоскелета, напоминает линейный двигатель. А актюатор бактериофага phi29, выбрасывающий виральную ДНК из капсида внутрь клетки-хозяина, работает по принципу двигателя внутреннего сгорания с несколькими рабочими цилиндрами.

Необычный энзим

Энзим АТФ-синтаза предназначен для синтеза или гидролиза молекул АТФ, а также для переноса протонов (Н+) через мембрану клетки, чем обеспечивает стабильный внутриклеточный рН цитоплазмы. Ученые установили, что при гидролизе АТФ одна из частей энзима совершает вращательное движение. Тогда у исследователей-нанотехнологов и возник интерес к этому необычному энзиму.

АТФаза состоит из двух отдельных частей: (1) F0, гидрофобной части, связанной с мембраной, ответственной за транспорт протонов, и (2) F1, гидрофильной части, ответственной за синтез и гидролиз АТФ (см. рис.1).

Рисунок 1. Строение и модель энзима АТФаза

По мере того как протоны протекают через F0 часть энзима, γ-субъединица части F1-ATФазы вращается по часовой стрелке и идет синтез АТФ. Гидролиз АТФ происходит при вращении γ-субъединицы против часовой стрелки; при этом направление протекания протонов меняется на обратное. Субъединицы a, b, и c части F0-АТФазы формируют канал переноса протонов через клеточную мембрану. Места катализа и присоединения нуклеотидов были обнаружены исследователями (Kinosita и др., 1998) на трех а и трех b субъединицах части F1-ATФазы. γ-субъединица расположена в центре гексамера α3β3 и вращается при синтезе или гидролизе АТФ.

Самое удивительное заключается в том, что АТФаза представляет собой полную аналогию макроскопических моторов, сделанных человеком, которые тоже состоят из ротора и статора.

Группа исследователей из Корнелльского университета во главе с Карло Монтеманьо попыталась интегрировать этот природный наномотор [1] в НЭМС. Исследователям удалось измерить радиальное отклонение микросферы при вращении субъединицы, когда они присоединили флуоресцентную микросферу диаметром 1 мкм к γ-субъединице АТФазы (см. рис.2).

Рисунок 2. Строение наномотора и микрофотографии радиального отклонения микросферы

При добавлении к набору получившихся наномоторов 2 мM Na2ATФ и при присутствии в растворе 4 мM MgCl2 дифференциальным интерферометром наблюдалось вращение микросферы, составляющее 9.5-10.5 Гц, или 3-4 об/сек. Причем вращение представляло собой дискретные изменения угла, образованного γ-субъединицей и α3β3 - комплексом, каждый раз на 120°.

Дальнейшие исследования будут направлены на изучение инженерных свойств мотора и его производительности. Это необходимо для дальнейшей разработки функционирующих наномеханических устройств, приводимых в движение F1-АТФазой. Нужно, например, определить зависимость производительности мотора как обобщенную функцию от теплоотдачи, выхода протонов, рН, загрузки энзима молекулами АТФ. Более того, необходимо изучить взаимодействие между субъединицами α3β3γ, чтобы в будущем методами протеиновой инженерии улучшить производительность мотора, если это будет возможно.

АТФсинтаза является своего рода рекордсменом среди молекулярных моторов своей "весовой категории". По эффективности работы и развиваемой ею силе она существенно превосходит все известные в природе молекулярные моторы. Так, например, молекула АТФсинтазы приблизительно в 10 раз сильнее актомиозинового комплекса - молекулярной машины, специализирующейся в клетках мышц и различных органах на "профессиональном" выполнении механической работы. Таким образом, за сотни миллионов лет до того, как появился человек, который изобрел колесо, преимущества вращательного характера движения были успешно реализованы Природой на молекулярном уровне.

Рис. 3. Наноробот с пропеллером на АТФазе

Уже существуют первые проекты интеграции моторов на основе АТФазы в будущую наноробототехнику. Доктор Константин Мавродис из Рутгерского университета предложил "блочную схему" одного из простейших нанороботов, который использует именно такой мотор (см. рис. 3). Тело наноробота состоит из нанотрубки, манипуляторы выполнены в виде сложных пептидных цепей. Пропеллер (правда, по последним данным математического моделирования, пропеллерные системы актюации в нано- и микроразмерных вязких средах неэффективны), обеспечивающий передвижение в вязких средах, расположен на АТФазе. Как утверждает автор, подобные гибридные устройства могут появиться уже через 10 лет. Правда, Константин не акцентирует внимание на системах управления такими устройствами, что само по себе представляет более сложную задачу, чем приведение его в движение.

Самый маленький в мире грузчик

Другой не менее известный биологический мотор, который тоже будет полезен нанотехнологам, - молекула белка кинезина. Это представитель другого класса линейных моторов. Среди механохимических преобразователей энергии, распространенных в живой природе, они играют важную роль. Эти белковые машины движутся вдоль полимерных нитей, используя в качестве "топлива" молекулы АТФ. К таким моторам относятся белки актомиозинового комплекса, входящего в состав сократительного аппарата мышц. Движение микроворсинок (жгутиков и ресничек бактерий и простейших) определяется взаимодействием другой пары моторных белков - динеина и тубулина. Смещение головок динеина относительно тубулиновых микротрубочек белков обеспечивает волнообразные движения микроворсинок. Среди большого числа моторных белков миозин скелетных мышц и кинезин из клеток мозга являются наиболее изученными молекулярными моторами. Несмотря на то, что функции миозина и кинезина в клетке различаются, они удивительно похожи по своему строению и механизмам действия.

Расскажем, как работает молекула 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 (см. рис. 4).

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 7,5 х 4,5 х 4,5 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.

Рис. 4. Строение молекулы кинезина

Интересно то, что молекула "шагает" вдоль микротрубки (см. рис.5), делая 8-нанометровые шаги. На рисунке 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%.

Рис. 5. 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).

Рис. 6. Кинезиновый наноконвейер

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. Движения микротрубок можно увидеть на этом видео. Запись велась с помощью оптического микроскопа.

В дальнейшем команда планирует создать микрочипы со встроенными конвейерами, работающими в разных направлениях. Это, конечно, будет большим плюсом для будущих систем наносборки, так как НЭМС-конвейеры пока сделать достаточно трудно. Наверняка такие транспортные системы будут полезны и в лабораториях-на-чипе.

Камера сгорания внутри вируса

Как мы уже видели, биологические системы раньше человека использовали вращательное движение в молекулярных машинах. Ранее мы уже рассказывали о том, как молекулы РНК могут быть использованы в качестве строительных блоков для будущих наномашин. Однако до проведения этой работы профессор Пейхуан Гу описал работу вирального мотора на основе РНК-гексамера. РНК-гексамер - это комплекс, состоящий из шести отдельных РНК-мономеров.

Рис. 7. Вирус phi29 выбрасывает ДНК из капсида

Оказалось, что вирус-бактериофаг phi29 использует гексамер молекул РНК для выброса молекулы ДНК из капсида вируса (см. рис. 7). 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 (см. рис. 8).

Рис. 8. 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.

Дайтер Молл, исследователь из группы Гу, говорит, что "самосборка молекул РНК позволит значительно уменьшить стоимость будущих РНК-НЭМС."

Жгутиковый мотор

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.

Рис. 9. Строение жгутикового мотора

Как и протонные АТФсинтазы, электромоторы бактерий являются устройствами, которые в качестве источника энергии используют разность протонных потенциалов на цитоплазматической мембране. Принципы работы АТФсинтазы и бактериального мотора одинаковы, хотя сами эти конструкции различаются по своим размерам и устройству (см. рис. 9, 10). Можно с уверенностью сказать, что бактериальный мотор - аналог машины постоянного тока, созданной человеком.

Рис. 10. 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.

Заключение

Итак, как мы видим, на первых порах нет необходимости разрабатывать какие-либо "продвинутые" актюаторы, как это делал Эрик Дрекслер в "Наносистемах". Для построения первых примитивных наносистем достаточно и этих готовых "кирпичиков", которые миллионы лет эффективно работают в природе. Но, как только можно будет конструировать произвольные структуры из алмазоида с атомарной точностью, для многих наноустройств такие моторы будут непригодны.

У всех рассмотренных выше биологических моторов есть ряд недостатков. Важнейший недостаток - малая степень управляемости. То есть, если вы захотите использовать тот же АТФазный мотор для управления наноманипулятором, задать перемещение ротора в 10-20° будет практически невозможно, так как дискретность работы мотора - 120°. Конечно, можно воспользоваться редукторами и прочими преобразователями движения, но это усложнит конструкцию и увеличит размер устройства. Также один из недостатков биомоторов - условие работы в жидкой среде, что существенно ограничивает их круг применения.

Но все-таки, повторюсь, все вышеперечисленные моторы как нельзя лучше подходят по характеристикам для современных исследований в области нанотехнологий и нанопроизводства. Так что в течение следующих 10-15 лет им не предвидится альтернативы.

Список литературы

1. Carlo Montemagno и др., Nanotechnology 10 (1999) 225-231. Constructing Biological Motor Powered Nanomechanical Devices.

2. ISA: Engineering team working to create nanomotor

3. Constantinos Mavroidis, Ph.D., Associate Professor Department of Mechanical and Aerospace Engineering Rutgers University: PROTEIN BASED NANO-MACHINES FOR SPACE APPLICATIONS;

4. А. Н. Тихонов. Молекулярные моторы, ИР file:///C:/Documents%20and%20Settings/Test/Desktop/Моторы/www.nature.ru, 2001

5. Peixuan Guo, Purdue University: Construction of a Viral Nanomotor Driven by a Synthetic RNA

6. Свидиненко Юрий: РНК может формировать строительные блоки для наномашин

7. Richard M Berry, The Randall Institute, King’s College London, London, UK: Bacterial Flagella: Flagellar Motor

www.coolreferat.com

Биологический двигатель — AgroXXI

 Основное назначение биологического двигателя - легко получать «зеленую энергию»

 

 

Насколько развит проект по внедрению биогазовых установок в Европе (рассмотрим на примере Германии). Деньги под ногами Так высказываются обычно люди, которые приезжают из крупных городов на периферию в села, но почему же жители сел не видят этих денег? Потому, что органические остатки, отходы животноводства для них не является ценным сырьем поступление дополнительных доходов. Это воспринимается скорее как органический мусор, которое просто выбрасывается, или как навоз, который вносится на поля. В Европе давно эти «деньги» уже «подмели», поэтому там найти органические остатки, на которых можно зарабатывать, достаточно трудно, даже приходится выращивать их в виде кукурузы.

В нашем хозяйстве есть все возможности, чтобы частично не зависеть от государства, производя для собственных нужд электроэнергию, природный газ, тепло и, кроме того, получать еще и готово ценное органическое удобрение для выращивания экологической продукции. Но не понятно, что этому препятствует: или нежелание зарабатывать дополнительно, отсутствие капиталовложений, давление со стороны государства, все вместе. Возможно, вам как читателям не совсем понятно, о чем сейчас идет речь, и вы подумаете: что за чушь, которые органические удобрения и при чем здесь электроэнергия, газ и т. д.? Теоретически все очень просто: вы покупаете биогазовую установку, наполняете отходами органического происхождения и по желанию получаете электроэнергию, газ, тепло и на выходе — органическое удобрение.

Что такое биогазовая станция? Биогазовая станция производит способом бескислородного брожения (анаэробного брожения) биогаз и биоудобрения из биоотходов сельского хозяйства, пищевой промышленности и специально выращиваемых энергетических культур. Промышленная биогазовая станция — это строительный объект, где доля оборудования составляет 50-60 %. Это закрытые реакторы (фермертеры, биореакторы), выполненные из монолитного железобетона или стали с покрытием. Большинство видов сырья можно смешивать, отличие — только в устройствах загрузки сырья. Для твердых видов сырья — это шнековые загрузчики, для жидких — приемные резервуары с насосной станцией. Конструкция — модульная с диаметром от 8 до 24 м и высотой до 9 м. В случае необходимости увеличения мощности биогазовой станции увеличивается количество реакторов.

Принцип работы биогазовой установки Жидкие биоотходы перекачивают на биогазовой установке фекальными насосами бардопроводом или трубопроводом навозоудаления. Твердые отходы (навоз, помет) доставляются транспортерной лентой, а из хранилища помета или навоза — трактором. Жидкие отходы попадают не напрямую в реактор, а в предыдущую емкость, где происходит гомогенизация массы и ее подогрева (иногда — охлаждение) до нужной температуры. Твердые отходы могут выгружаться в емкость с жидкими отходами и перемешиваться с ними, или же только твердые отходы загружаются в специальный шнековый загрузчик. Из емкости гомогенизации, или загрузчика твердых отходов, навоз, помет или кукурузный силос поступает в реактор (биореактор). Реактор (биореактор) является газонепроницаемым, полностью герметичным резервуаром из кислотоупорной железобетона. Эту конструкцию теплоизолюють слоем утеплителя. Толщину утеплителя рассчитывают под конкретные климатические условия. Внутри реактора поддерживается фиксированная для микроорганизмов температура. Температура в реакторе мезофильные (30 … 41 ° С), в отдельных случаях применяют реакторы с термофильным режимом (около 55 ° С).

Перемешивания биомассы происходит несколькими способами. Способ перемешивания выбирают в зависимости от типа сырья, влажности и других параметров. Перемешивание осуществляют миксерами, сделанные из нержавеющей стали. В отдельных случаях перемешивание не механическое, а гидравлическое. Есть масса распадается насосами по трубкам в слой, где живут колонии бактерий. Реакторы бывают с деревянным и железобетонным сводом, срок службы — 25-30 лет. Реактор подогревается теплой водой. Температура воды на входе в реактор — 60, на выходе — около 40 ° С. Система подогрева — это сеть трубок, находящиеся внутри стенки реактора или на ее внутренней поверхности. Если биогазовую установку укомплектован когенерационной установкой (теплоелектрогенератором), тогда воду от охлаждения генератора используется для подогрева реактора. Вода после охлаждения генератора с температурой 90 ° С смешивается с 40-градусной водой и поступает в реактор уже с температурой 60 ° С. Вода специально подготовленная и рециркуляционные. В зимний период биогазовой установке требуется около 70 % вторичного тепла, отводимого от теплоелектрогенератора, в летний — около 10 процентов.

Если биогазовая установка работает только на производство газа, тогда теплую воду берут из специального водонагревательного котла. Расхода тепловой и электрической энергии на нужды самой установки составляют 5-15 всей энергии, которую дает биогазовая установка. Средний срок гидравлического отстаивания внутри реактора (в зависимости от субстратов) — 20-40 дней. В течение этого времени органические вещества внутри биомассы метаболизируются (преобразовываются) микроорганизмами. Для кукурузного силоса период брожения составляет 70-160 дней, его продолжительность зависит от объема реактора. Весь процесс брожения отходов выполняют анаэробные микроорганизмы. В реактор микроорганизмы вводят один раз — при первом его запуске, далее никаких добавок микроорганизмов и дополнительных расходов не требуется. Микроорганизмы вводят одним из трех способов: 1) введением концентрата микроорганизмов, 2) добавлением свежего навоза, 3) добавлением биомассы с другой работающего реактора.

Чаще используют второй и третий способы, потому что они дешевле. В навозе уже есть микробы, которые попадают туда еще из кишечника животных. Эти микроорганизмы полезны и не наносят вреда человеку и самим животным. К тому же, реактор — это герметичная система. Поэтому реакторы (биореакторы, фермертеры) размещают вблизи фермы или производства и таким образом имеют два продукта: биогаз и биоудобрения. Биогаз хранят в емкости, которая называется газгольдер. В ней выравниваются давление и состав газа. Газгольдер представляет собой трехслойную конструкцию из специальной ткани. Материал купола устойчив к солнечному свету, осадков и испарений в реакторе. Срок службы газгольдера — 15 лет. Фото вместимости объема — 0,5-1 день. Из газгольдера биогаз непрерывно подается в газовый или дизель-газовый теплоелектрогенератор. Здесь и производятся тепло и электричество: с 1 м3 газа можно получить 2 кВт / ч электрической и 2 кВт / ч — тепловой энергии. Крупные биогазовые установки имеют еще и факельные установки, использующие в том случае, когда не работает двигатель / двигатели и биогаз надо сжечь. Управление системой осуществляется автоматически. Система контролирует работу насосной станции, мешалок, системы подогрева, газовой автоматики, генератора. Для управления достаточно одного работника на 2 ч в день, он осуществляет контроль с помощью обыкновенного компьютера. Подготовить человека к такой работе можно всего за две недели.

Биогазовая станция не способна работать полностью автономно, а лишь параллельно в сети, если на производстве, скажем, падает напряжение при запуске сушильного комплекса или, наоборот, высокое напряжение растет, тогда функция ее заключается в том, чтобы подбирать или отдавать электроэнергию. На мегаваттную такую станцию потребуется 60 т / сутки кукурузного силоса (20000 тыс. т / год) при урожайности 30-35 т / га нужно иметь 700 га земли. Если использовать высокоэнергетические сорта кукурузы, эту площадь можно сократить до 400—500 гектаров.

Далеко Европа? В Германии, когда только начали строить биогазовые установки, их назначением была переработка органических отходов, преимущественно от животноводства, с целью получения перегноя, позже научились получать газ и электроэнергию. С увеличением количества биогазовых установок продуктов переработки стало не хватать, поэтому встал вопрос использования кукурузного силоса, таким образом на сегодня в этой стране почти все биогазовые установки работают на кукурузном силосе. Семейное хозяйство Брьоккер расположено в 60 км северо-восточнее Мюнстера. Сейчас здесь обрабатывают 200 га земли, из них собственной — 112 га, несколько лет назад докупили 7 га, остальные земли — арендуют. Цена земли на сегодня в Германии составляет 5,70 евро/м2, или 57000 евро / га, арендная плата ежегодно составляет от 6000 до 9000 евро / га. Во всем мире цена земли зависит от бонитета почвы, только в Германии она одинакова — по той причине, что без земельного участка (любой) вы не начнете собственного производства. На единицы земельной площади (1 га) фермер, согласно федеральному закону, может содержать, например, четыре головы КРС. И если он желает расширять животноводство, но его земельная площадь не позволяет этого сделать, тогда ему нужно ее докупать или брать землю в аренду, а если он не сможет этого сделать, приходится регистрировать себя уже как промышленное предприятие, но тогда меняется система налогообложения, и процентная ставка по налогу уже увеличивается, что делает агробизнес крайне нерентабельным. В структуре посевных площадей хозяйство имеет 20 га естественных пастбищ, 30 — пшеницы, остальные 150 га — кукуруза. Распределение поступления прибыли в хозяйстве: 25 % — свиноводство, 25 % — скот на откорме, 50 % — биогазовая установка. Более 15 лет назад руководство Германии захотело перейти от обычных до альтернативных источников энергии. Сначала были заложены хорошие предпосылки для начинающих, и многие фермеры инвестировали свои средства именно в биогазовые установки, но руководство не учло проблем, которые неизбежно будут возникать в дальнейшем. Данный проект, по мнению фермера, более пригодный для внедрения где хозяйства имеют большие площади и возможность высевать больше различных культур.

Немецким законом о возобновляемые источники энергии (в частности, биогазовые установки) не разрешается строить биогазовую установку мощностью свыше 500 кВт / ч. И есть одно предположение, с чем это может быть связано: руководством государства было принято решение сделать оптимальную мощность биогазовой установки 500 кВт / ч, если же эта мощность будет превышать норму, опять же придется менять форму собственности и регистрироваться как промышленное предприятие, а при такой схеме биогазовые установки могут строить абсолютно все фермеры. В некоторых регионах Германии в радиусе 5 км находится в среднем шесть биогазовых установок, и на территории, где они расположены, выращивают, в основном, кукурузу (кое ходят слухи даже о целых кукурузных лесах!) В Германии есть понятие соблюдения ландшафтного парка, когда выращивание всех присущих данному региону видов сельхозживотных и растений является обязательной нормой, а с появлением биогазовых установок эта ситуация может измениться на американскую, когда повсюду растет только кукуруза.

Каждые четыре года закон о возобновляемые источники энергии пересматривается, и в следующем пункте этого закона, чтобы решить частично проблему с кукурузными лесами, предполагается использовать только силосную кукурузу для биогазовой установки, предшественником которой была пшеница.   Цены на электроэнергию постоянно растут, сейчас 1 кВт стоит 18 центов, к тому же, существует такая зависимость: чем меньше электроэнергии потребляет фермер, тем дороже он за нее платит. За 1 кВт выработанной электроэнергии с помощью биогазовой установки государство выплачивает 20 центов, за 1 кВт солнечной электроэнергии — 40 центов и 1 кВт с ветрогенераторов — 9 центов. Цены разработаны таким образом, чтобы каждая область, в которой вырабатывается электроэнергия, была экономически выгодной. Для предотвращения возникновения перенапряжения в сети некоторых фермеров отсоединяют от сети, но при этом также выплачивают средства в полном объеме за простой.Источник: agroinformer.com

 

www.agroxxi.ru


Смотрите также