Биологические “микроракеты” врываются в искусственный наномир

Некоторые исследователи обращаются за помощью в изобретении новых наномоторов к природе. Действительно, жгутиковые моторы некоторых бактерий показали очень интересные физические характеристики, которые могут быть успешно использованы в нано- и микромашинах. Однако сложность конструкции жгутикового протонного мотора пока не позволяет изготовить его с помощью традиционного инструментария нанотехнолога.

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.

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. Можно с уверенностью сказать, что бактериальный мотор — аналог машины постоянного тока, созданной человеком.

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 более 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 1 тыс. оборотов в секунду. Электромоторы, которые могут так быстро вращать жгутики бактерий, очень экономичны — они потребляют не более 1% энергетических ресурсов бактериальной клетки. Однако их можно синтезировать только на базе генной инженерии и они плохо управляемы.

Недавно ученые-биологи открыли еще один способ актюации микро- и наномеханизмов — с использованием природного реактивного движения. Реактивные двигатели, успешно используемые некоторыми видами бактерий, — к примеру, мощные выбросы струй слизи, — могут в принципе послужить прототипами «наноракет», создаваемых уже с участием современных технологий, например, с помощью микрожидкостных систем.

К примеру, миксобактерии (Myxobacteria, от греч. myха (слизь), род слизистых бактерий) — организмы микрометрических масштабов, имеющие нитевидную форму, — передвигаются именно с помощью выброса слизи через специальные сопла в мембране. «Это настоящие микроракеты», — говорит Андрей Добрынин, профессор, занимающийся изучением полимеров в университете Коннектикута, США.

Выбрасывая сильной струей слизь из одного или другого набора «форсунок», бактерия может сдвигаться вперед или назад, что и позволяет ей передвигаться со скоростью до 10 мкм/с. Ранее биологи считали, что эта слизь используется в основном в качестве смазки, и не могли в точности объяснить, за счет чего эти создания все-таки умудряются двигаться. В кооперации с учеными-физиками биологи установили, что толчки, за счет которых эти бактерии продвигаются вперед, рождаются за счет выбросов под давлением слизи из своеобразных «сопел-форсунок», расположенных на поверхности мембран бактерий, сообщает NewScientist.

Форсунок примерно по 250 штук на каждой бактерии, они способны синтезировать слизь в больших количествах — это хорошо известно любителям аквариумных рыбок. Кроме аквариумов, миксобактерии обитают также в навозе, на гниющей древесине, в опавших листьях (растительных остатках) и в почве, активно участвуя в процессах разложения органики (аэробном разрушении).

#gallery#

Ученые полагают, что с использованием современных наножидкостных систем можно будет внедрять принцип реактивного движения «по полной программе» для актюации наносистем. На сегодняшний день это сделать гораздо проще, чем конструировать искусственный протонный двигатель.