Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

Инновации

Рассылка закрыта

При закрытии подписчики были переданы в рассылку "Новости сферы инноваций и изобретательства" на которую и рекомендуем вам подписаться.

Вы можете найти рассылки сходной тематики в Каталоге рассылок.

←   Июль 2004   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Автор
BorislavD

Статистика

544 подписчиков
+1 за неделю
←   Все выпуски   →

Инновации Молекулярные двигатели для нанотехники


Информационный Канал Subscribe.Ru

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ НАНОТЕХНИКИ

Для разрабатываемых сейчас микроскопических устройств, которые смогут, например, проплывать по кровеносным сосудам человека и очищать их стенки от отложений холестерина (см. "Наука и жизнь" № 4, 1999 г.), нужны уж совершенно микроскопические двигатели - размером с молекулу. В поисках таких моторов исследователи обращаются к биологии, ведь ей давно известны белковые двигатели, размещающиеся в живой клетке. В качестве горючего эти двигатели используют химическое 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 университета и Вашингтонского университета в Сиэтле - рассказали о первых шагах по использованию этих природных двигателей для приведения в движение нанотехнологических устройств.

Как это обычно делают инженеры, когда им попадает в руки неизвестное устройство, исследователи "развинтили" на части двигатели, извлеченные из живых клеток, снова собрали их в искусственных условиях и показали, что после такой операции они вполне работоспособны и могут, например, крутить микроскопические пластмассовые шарики. Руководитель одной из групп, Карло Монтеманьо (Корнелльский университет) говорит, что они пытаются изготовить такие 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, эксперт по нанотехнологии в одном из исследователь-ских центров НАСА. Если из этого что-либо выйдет, инженеры смогут изготовлять все, что угодно, начиная от миниатюрных насосиков, которые смогут вживляться в организм больного и при малейших неполадках со здоровьем будут накачивать в кровь спасительные лекарства, до фантастических "живых" материалов, которые сами будут залечивать свои повреждения.

 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 к одному из "силачей" клетки - ферменту АТФазе. Это комплекс из нескольких белков, которые, действуя совместно, производят АТФ. Выглядит он как цилиндрик диаметром 12 нанометров и такой же высоты. Его строение очень сложно. Он состоит из шести белков, собранных вокруг единой оси. АТФаза превращает движение протонов внутри энергетической станции клетки - митохондрии - в механическое вращение оси. Это движение помогает образовать АТФ. Причем действие АТФазы обратимо: если на этот цилиндрический моторчик подавать АТФ, он будет "сжигать" ее и ось придет во вращение. В прошлом году японские биохимики под руководством Хироюки Ноджи из Токийского технологического института впервые смогли заснять это движение. Они прикрепили к концу оси флуоресцирующую молекулу, подали в нанодвигатель АТФ и под микроскопом увидели, как вокруг цилиндрика стала вращаться светящаяся точка. Основываясь на числе оборотов, которое можно получить от определен ного количества АТФ, исследователи заключили, что кпд этого двигателя близок к ста процентам, это существенно выше, чем у всех двигателей, изобретенных человеком. "Если бы этот двигатель был размером с человека, - говорит Монтеманьо, - он мог бы вращать деревянный столб длиной около двух километров со скоростью один оборот в секунду".

Этот результат вдохновил Монтеманьо и его коллег из Корнелльского университета посмотреть, нельзя ли использовать нанодвигатель АТФазы для вращения пусть не длиннейшего столба, но какого-нибудь микроскопи ческого объекта. Методами генной инженерии они внесли два изменения в белки АТФазы. Одно изменение позволило приклеить наномоторчик к покровному стеклу микроскопа, а другое - наклеить на вращающуюся ось микроскопический пластмассовый шарик. К основанию двигателя они добавили аминокислотную последова тельность с участием гистидина, которая хорошо клеится к металлу. На покровном стекле напылили несколько островков из никеля поперечником примерно по 40 нанометров. Когда затем на стекло нанесли каплю с взвешенными в ней нанодвигателями, их основания приклеились к никелю, и цилиндрики встали вертикально. К верхнему концу центральной оси моторчиков добавили аминокислоту цистин, а шарики из пластмассы покрыли биотином. Цистин соединился с биотином, и каждый нанодвигатель оказался присоединенным к шарику. Добавив в каплю АТФ, исследователи увидели под микроскопом, как шарики вращаются вокруг оси микродвигателя. Вращение продолжалось более двух часов, пока не иссяк запас АТФ.

На снимке, сделанном под электронным микроскопом, видны шесть молекулярных двигателей, приклеенных к стеклянной подложке. Пластмассовый шарик закреплен на 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, которые будут приводиться в движение биологическими моторчиками. Но группа Монтеманьо движется вперед. Сейчас экспериментаторы намерены заменить шарики намагниченными стерженьками. Это позволит точно измерить мощность нанодвигателей. Приложив внешнее магнитное поле и увеличивая его, надо будет заметить, при какой напряженности поля вращение прекратится. Кроме того, моторчики с магнитным ротором превратятся в генераторы электрического тока, который можно будет использовать, например, для перемещения лекарств через мембраны клеток в организме в имплантируемых микронасосах для лекарств. Но это еще только начало, говорит Монтеманьо. Можно придумать сто тысяч случаев применений для нанодвигателей.

Виола Фогель из университета в Сиэтле то же самое говорит о созданном в ее лаборатории линейном нанодвигателе. Он выложен на предметном стекле микроскопа из молекулярных двигателей, которые могут передавать, так сказать, из рук в руки тончайшую трубочку. Этот двигатель основан на одной из транспортных систем 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 микротрубочкам от одного конца до другого, перевозя молекулы белков и липидов. В эксперименте Фогель и ее сотрудники обратили процесс. Они закрепили нанодвигатели на поверхности стекла и заставили их передавать от одного двигателя к другому микротрубочки. Биохимики, изучающие кинезиновые двигатели, уже делали такие опыты, но в тех опытах двигатели были разбросаны на поверхности стекла беспорядочно. Когда в каплю с ними добавляли АТФ, кинезиновые моторы начинали вразнобой двигать трубочки во всех направлениях. В лаборатории Фогель моторы расставили рядами. Предметное стекло микроскопа потерли кусочком политетрафтор -этилена (тефлона), отчего на стекле остались линейные, цепочкообразные молекулы этого полимера, выстроенные в одном направлении. Получилось нечто вроде "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 закрепленные рядами наномоторчики передают друг другу по прямой микротрубочки. В будущем эта техника может стать основой для изготовления конвейеров на сборочных линиях наноустройств.

В этих опытах измерена сила тяги одной молекулы кинезина. Она способна развивать силу в пять-шесть пиконьютонов, что примерно равно давлению, оказываемому светом лазерной указки на экран. В масштабах клетки это очень большая сила, она способна согнуть пополам довольно жесткую микротрубочку.

Посмотрите подробнее о нанотрубках.

 

 

http://subscribe.ru/
E-mail: ask@subscribe.ru 		Отписаться
В избранное