Для разрабатываемых сейчас микроскопических устройств, которые смогут,например, проплывать по кровеносным сосудам человека и очищать их стенкиот отложений холестерина (см. "самый интересный журнал Наука и жизнь " № 4, 1999 г.), нужны уж совершенномикроскопические двигатели - размером с молекулу. В поисках таких моторовисследователи обращаются к биологии, ведь ей давно известны белковые двигатели,размещающиеся в живой клетке. В качестве горючего эти двигатели используютхимическое топливо всего живого - аденозинт рифосфорную кислоту (АТФ).Их действием обеспечивается перенос в клетку разных веществ, работа мышц,они используются даже при копировании ДНК.Недавно две группы американских исследователей - из Корнелльского университетаи Вашингтонского университета в Сиэтле - рассказали о первых шагах по использованиюэтих природных двигателей для приведения в движение нанотехнологическихустройств.Как это обычно делают инженеры, когда им попадает в руки неизвестноеустройство, исследователи "развинтили" на части двигатели, извлеченныеиз живых клеток, снова собрали их в искусственных условиях и показали,что после такой операции они вполне работоспособны и могут, например, крутитьмикроскопические пластмассовые шарики. Руководитель одной из групп, КарлоМонтеманьо (Корнелльский университет) говорит, что они пытаются изготовитьтакие инженерные системы, которые будут использовать энергию живых систем.До этого еще далеко, но и начало этих работ вызывает энтузиазм у специа-листов."Я думаю, что это очень перспективный путь", - говорит Эл Глобас, экспертпо нанотехнологии в одном из исследователь-ских центров НАСА. Если из этогочто-либо выйдет, инженеры смогут изготовлять все, что угодно, начиная отминиатюрных насосиков, которые смогут вживляться в организм больного ипри малейших неполадках со здоровьем будут накачивать в кровь спасительныелекарства, до фантастических "живых" материалов, которые сами будут залечиватьсвои повреждения.1- КИНЕЗИН 2- МИКРОТРУБОЧКА3- СТЕКЛО 4- ПУЗЫРЕК С ПЕРЕНОСИМЫМИ МОЛЕКУЛАМИ 5- КИНЕЗИН "ШАГАЕТ"ПО МИКРОТРУБОЧКЕ
В кружке показан процесс транспортировки белков и липидов по микротрубочке,осуществляемый кинезином в живой клетке. Когда молекулы кинезина закрепили"вверх ногами" на стеклянной пластинке, они, как цирковые эквилибристы,стали перемещать микротрубочки.Для создания своего моторчика Монтеманьо и его коллеги обратились кодному из "силачей" клетки - ферменту АТФазе. Это комплекс из несколькихбелков, которые, действуя совместно, производят АТФ. Выглядит он как цилиндрикдиаметром 12 нанометров и такой же высоты. Его строение очень сложно. Онсостоит из шести белков, собранных вокруг единой оси. АТФаза превращаетдвижение протонов внутри энергетической станции клетки - митохондрии -в механическое вращение оси. Это движение помогает образовать АТФ. Причемдействие АТФазы обратимо: если на этот цилиндрический моторчик подаватьАТФ, он будет "сжигать" ее и ось придет во вращение. В прошлом году японскиебиохимики под руководством Хироюки Ноджи из Токийского технологическогоинститута впервые смогли заснять это движение. Они прикрепили к концу осифлуоресцирующую молекулу, подали в нанодвигатель АТФ и под микроскопомувидели, как вокруг цилиндрика стала вращаться светящаяся точка. Основываясьна числе оборотов, которое можно получить от определен ного количестваАТФ, исследователи заключили, что кпд этого двигателя близок к ста процентам,это существенно выше, чем у всех двигателей, изобретенных человеком. "Еслибы этот двигатель был размером с человека, - говорит Монтеманьо, - он могбы вращать деревянный столб длиной около двух километров со скоростью одиноборот в секунду".Этот результат вдохновил Монтеманьо и его коллег из Корнелльского университетапосмотреть, нельзя ли использовать нанодвигатель АТФазы для вращения пустьне длиннейшего столба, но какого-нибудь микроскопи ческого объекта. Методамигенной инженерии они внесли два изменения в белки АТФазы. Одно изменениепозволило приклеить наномоторчик к покровному стеклу микроскопа, а другое- наклеить на вращающуюся ось микроскопический пластмассовый шарик. К основаниюдвигателя они добавили аминокислотную последова тельность с участием гистидина,которая хорошо клеится к металлу. На покровном стекле напылили несколькоостровков из никеля поперечником примерно по 40 нанометров. Когда затемна стекло нанесли каплю с взвешенными в ней нанодвигателями, их основанияприклеились к никелю, и цилиндрики встали вертикально. К верхнему концуцентральной оси моторчиков добавили аминокислоту цистин, а шарики из пластмассыпокрыли биотином. Цистин соединился с биотином, и каждый нанодвигательоказался присоединенным к шарику. Добавив в каплю АТФ, исследователи увиделипод микроскопом, как шарики вращаются вокруг оси микродвигателя. Вращениепродолжалось более двух часов, пока не иссяк запас АТФ.На снимке, сделанном под электронным микроскопом, видны шесть молекулярныхдвигателей, приклеенных к стеклянной подложке. На схеме показано устройствотакого двигателя - молекулы фермента АТФазы. Пластмассовый шарик закрепленна его оси эксцентрично, отклоняясь от центра вращения на расстояние d,что позволяет заметить под микроскопом его вращение.Конечно, вращающиеся шарики еще довольно далеки от нанороботов, которыебудут приводиться в движение биологическими моторчиками. Но группа Монтеманьодвижется вперед. Сейчас экспериментаторы намерены заменить шарики намагниченнымистерженьками. Это позволит точно измерить мощность нанодвигателей. Приложиввнешнее магнитное поле и увеличивая его, надо будет заметить, при какойнапряженности поля вращение прекратится. Кроме того, моторчики с магнитнымротором превратятся в генераторы электрического тока, который можно будетиспользовать, например, для перемещения лекарств через мембраны клетокв организме в имплантируемых микронасосах для лекарств. Но это еще тольконачало, говорит Монтеманьо. Можно придумать сто тысяч случаев примененийдля нанодвигателей.Виола Фогель из университета в Сиэтле то же самое говорит о созданномв ее лаборатории линейном нанодвигателе. Он выложен на предметном стеклемикроскопа из молекулярных двигателей, которые могут передавать, так сказать,из рук в руки тончайшую трубочку. Этот двигатель основан на одной из транспортныхсистем живой клетки. Он сложен из микротрубочек, состоящих из молекул белка,называемого тубулин, и нано-двигателей, состоящих из другого белка - кинезина.В клетке кинезиновые двигатели, словно вагонетки, бегают по микротрубочкамот одного конца до другого, перевозя молекулы белков и липидов. В экспериментеФогель и ее сотрудники обратили процесс. Они закрепили нанодвигатели наповерхности стекла и заставили их передавать от одного двигателя к другомумикротрубочки. Биохимики, изучающие кинезиновые двигатели, уже делали такиеопыты, но в тех опытах двигатели были разбросаны на поверхности стеклабеспорядочно. Когда в каплю с ними добавляли АТФ, кинезиновые моторы начиналивразнобой двигать трубочки во всех направлениях. В лаборатории Фогель моторырасставили рядами. Предметное стекло микроскопа потерли кусочком политетрафтор-этилена (тефлона), отчего на стекле остались линейные, цепочкообразныемолекулы этого полимера, выстроенные в одном направлении. Получилось нечтовроде "грядок". Когда на стекло капнули раствор с кинезиновыми белками,они уселись в бороздки между "грядками". Затем внесли немного микротрубочек,покрашенных флуоресцирующим соединением. После этого в каплю добавили АТФ,и здесь служащую горючим. Под микроскопом было видно, как закрепленныерядами наномоторчики передают друг другу по прямой микротрубочки. В будущемэта техника может стать основой для изготовления конвейеров на сборочныхлиниях наноустройств.В этих опытах измерена сила тяги одной молекулы кинезина. Она способнаразвивать силу в пять-шесть пиконьютонов, что примерно равно давлению,оказываемому светом лазерной указки на экран. В масштабах клетки это оченьбольшая сила, она способна согнуть пополам довольно жесткую микротрубочку.