Протонный мотор
3D-модель:
Прашант Сингх, фоновое изображение: kjpargeter на Freepik
У живой природы нет гаек и винтов, но есть электрические двигатели. Биологи уже лет двадцать знают, что в кишечной палочке (Escherichia coli) и в сальмонелле есть электрические моторы с редукторами, валом, подшипниками, шестерёнками и даже с механизмом реверса вращения!
Бактерии для передвижения в жидкой среде и на поверхности твёрдых тел используют жгутики, которые могут находиться на одном их конце и сразу со всех сторон. Жгутик имеет жёсткий загиб у основания, к которому прикреплена упругая нить, при вращении в вязкой среде образующая спираль. Получается что-то вроде пропеллера подводной лодки, который может толкать её корпус вперёд или тормозить в зависимости от того, в каком направлении вращается жгутик.
Сходство с подводными лодками усилится, если вспомнить, что их современные модели имеют две оболочки: водопроницаемый лёгкий внешний корпус, придающий подводному кораблю гидродинамические свойства, и водонепроницаемый прочный внутренний корпус, способный выдержать давление воды на больших глубинах. У бактерий – две мембраны: внешняя и внутренняя, между которыми у «моторизованных» бактерий находится раствор с повышенным содержанием ионов водорода, то есть протонов. В цитоплазме клетки их содержание понижено, поэтому среды по разные стороны внутренней мембраны имеют разность потенциалов. Именно на этой внутренней мембране работают молекулярные электромоторы. Частота вращения жгутика может достигать ста оборотов в секунду.
моторами (рисунок: Университет Вандербильта)
Система управления моторами, если так можно выразиться, имеет химические датчики на внешней мембране бактерии. Они определяют состав внешней среды, что позволяет микроорганизму принять решение, в каком направлении двигаться. Например, бактерия устремляется в сторону пищи или ускользает оттуда, где обнаруживаются антибиотики. Говоря техническим языком, у неё внутри имеется система автоматического регулирования с обратной связью, каким-то образом моделирующая пространственное положение окружающих объектов и управляющая приводными моторами. Конечно же эта система не идеальна. Биологи наблюдают за движением бактерий в чашке Петри, отмечая, что эти микроорганизмы добираются до пищи не напрямик, а «окольными» путями, то есть с отклонениями от оптимальной траектории. Тем не менее они уверенно достигают цели.
коричневый мотор MotA/B (рисунок: Университет Вандербильта)
В зависимости от вращающего момента, который нужно придать жгутику, вокруг большой шестерни может быть от одного до дюжины моторов с малыми шестернями. Называемые MotA/B, они снаружи имеют зубцы, а внутри - электрический молекулярный привод, который преобразует разность ионных потенциалов во вращение. Конечно, слова «большая» и «малая» по отношению к шестерням мы используем условно: первая имеет диаметр около 45 нм, вторая – менее 5 нм, то есть на деле обе они микроскопические. Двигатели MotA/B пронизывают внутреннюю мембрану, а потому находятся под электрическим напряжением.
число двигателей (рисунок: Университет Вандербильта)
Когда нужно сменить направление вращения, к MotA/B устремляется белок CheY, сдвигая мотор в сторону оси жгутика так, что зубья малой шестерни зацепляются за зубья большой уже не снаружи, а изнутри. Получается что-то вроде коробки переключения передач.
В лабораториях Университета Вандербильта (американский штат Теннесси) детально исследуется структура элементов двигателя: втулок, оси, большой шестерёнки. Исследователи глубоко разбираются в деталях, доходя до каждой аминокислоты. Именно здесь был изучен и описан в статье механизм инверсии вращения протонного двигателя.
Учёным помогает сложнейшее оборудование, такое как просвечивающие электронные микроскопы. Для разгона электронного потока в них используются напряжение в двести или триста тысяч вольт. Поскольку исследуемый образец заморожен до криогенных температур (чтобы исключить тепловые вибрации молекул), структура бактерий оказывается нарушена. На изображении с микроскопа можно увидеть различные фрагменты двигателей, по-разному ориентированные по отношению к наблюдателю. Здесь на помощь исследователям приходит искусственный интеллект. Программа распознаёт образы, отбраковывает мусор и объединяет одинаковые молекулярные комплексы в классы, чтобы их уже мог изучать человек. Он разделяет фронтальные и боковые снимки и передаёт эти данные в программу 3D-моделирования.
Трёхмерные модели с низким разрешением уточняются для большей детализации. При этом учёные обобщают достоверные данные и отсекают фантомные детали, образовавшиеся из-за помех в процессе электронного сканирования и съёмки. После этого можно точно прорисовать объёмную картинку в программе и попытаться разгадать получившуюся головоломку, выделив в ней отдельные белки и отдельные аминокислоты по характерным для них геометрическим формам и способам соединения между собой. Это огромный труд, который даёт результат: белых пятен в конструкции жгутикового мотора становится всё меньше.
(рисунок: Университет Вандербильта)
«Бактерии движутся к источнику пищи на энергии метаболизма, – рассказала руководитель лаборатории Вандербильтского университета Тина Айверсон. – С пищей они получают новую энергию. И мы в ходе исследований задаёмся общими вопросами, не ограничиваясь устройством бактерий. Например, как метаболизм влияет на состояние и развитие клеток человеческого организма?».
Исследуя такие сложные объекты, как бактериальный двигатель, учёные меняют фундаментальные представления о том, как соотносятся между собой гуманитарные и технические науки, а также о том, как могла образоваться жизнь на нашей планете.
Инженерам тоже есть над чем поразмыслить, особенно в плане организации производства. Потому что бактерия на своей внутренней «фабрике» (репликаторе ДНК) копирует последовательности аминокислот, составляющих элементы протонного двигателя. К этому постепенно идут и производственники – на предприятиях всё чаще применяются 3D-принтеры для быстрого изготовления тех или иных деталей технологического и контрольно-измерительного оборудования.
Читайте другие наши материалы
