Огляд біологічних наномотора
Свідіненко Юрій (Svidinenko)
Багато молекулярні наномашин, давно
що працюють в живих організмах, можуть послужити першими будівельними
цеглинками майбутніх нанороботів. Причому таких "моторів" в природі
досить багато. У цій статті ми розповімо про основні біомоторах та їх
можливе застосування в наносистемах майбутнього.
Однією з перешкод, що обмежують
розміри МЕМС-пристроїв, є те, що до цих пір немає працездатного
мініатюрного мотора розмірами близько 500-100 нанометрів. Нещодавно Алексом Зеттл
був продемонстрований робочий наномотор з розміром ротора близько 500 нанометрів,
але конструктивне виконання мотора ускладнює його використання в МЕМС. Мотор
був виготовлений на основі кремнієвої підкладки і золотих електродів. В якості
осі для ротора дослідники використовували нанотрубку.
До використання подібних
"неорганічних" моторів у мікро-і наносистемах ще далеко - їх
важко виготовити, а інтегрувати в готове МЕМС-пристрій ще важче.
Сьогодні багато дослідників наполягають на тому, що біологічні мотори
відіграють не останню роль в якості актюаторів в МЕМС-пристроях. Тим більше,
що можна налагодити їх масове виробництво методами генної інженерії і
біотехнологій вже зараз. Та й технічні характеристики (співвідношення розміру,
маси, що генерується механічного моменту і споживаної енергії)
біологічних моторів досить непогані. Деякі дослідники
зацікавлені у використанні бактеріальних жгутикових моторів як
актюаторів для наноробототехнікі.
Цікаво також те, що різні типи
біологічних моторів відповідають деяким макроскопічними машинам по
принципом дії. Майкл Маєр, професор хіміко-біологічного відділення з
Мічиганського університету, після вивчення молекули кінезин сказав: "Ці
штуки - справжні машини! Було б чудово штучно побудувати одну з
них ".
Ензим АТФази і деякі жгутикові
мотори, наприклад, працюють аналогічно звичайному електродвигуну: ротор
обертається всередині нерухомого статора. Молекула кінезин, переміщаючись уздовж
мікротрубок цитоскелету, нагадує лінійний двигун. А актюатор бактеріофага
phi29, викидає віральную ДНК із капсида усередину клітини-господаря, працює
за принципом двигуна внутрішнього згорання з декількома робочими циліндрами.
Незвичайний ензим
Ензим АТФ-синтаза призначений для синтезу
або гідролізу молекул АТФ, а також для перенесення протонів (Н +) через
мембрану клітини, чим забезпечує стабільний внутрішньоклітинний рН цитоплазми.
Учені встановили, що при гідролізі АТФ одна з частин ензиму здійснює
обертальний рух. Тоді у дослідників-нанотехнологів і виник інтерес до
цього незвичайного ензими.
АТФази складається з двох окремих частин:
(1) F0, гідрофобною частині, пов'язаній з мембраною, відповідальної за
транспорт протонів, і (2) F1, гідрофільній частини, відповідальної за
синтез і гідроліз АТФ (див. рис.1).
Малюнок 1. Будова і модель ензиму АТФази
У міру того як протони протікають через F0
частина ензиму,
