Создан наноконвейер на основе белков-биомоторов

Ученым удалось установить, что молекула миозина-VI может работать, как самостоятельный наномотор-транспортер, и перевозить "на себе" грузы. На основе молекулы кинезина создан работающий конвейер, который передвигает макроскопические предметы. Практически во всех живых организмах находятся миниатюрные биомоторы - белки кинезин и миозин. Они отвечают за сокращение мышечных тканей, за транспортировку внутриклеточных грузов по микротрубкам, за деление клеток, а также за работу некоторых энзимов. Недавно ученые установили, что молекулы кинезина и миозина-VI могут быть полезны в исследованиях, проводимых в области наномашин. Более того, их можно "приручить" для приведения в движение таких сложных наносистем, как молекулярные конвейеры, транспортирующие молекулы, и даже живые клетки внутри биочипа-анализатора. Или же они могут служить основой двигательных систем нанороботов и микромашин, способных передвигаться в наноразмерном диапазоне.

Ученым из Иллинойского университета удалось доказать, что молекула миозина-VI может являться самостоятельным наномотором-транспортером, который сможет перевозить "на себе" грузы, сообщает NanotechBriefs. Другая команда ученых из института им. Макса Планка создала на основе молекулы кинезина работающий конвейер, который передвигает макроскопические предметы на своей поверхности.

Молекула белка кинезина - один из известнейших биологических моторов. Это представитель класса линейных биомоторов. Среди механохимических преобразователей энергии, распространенных в живой природе, они играют важную роль. Эти белковые машины движутся вдоль полимерных нитей, используя в качестве "топлива" молекулы АТФ. К таким моторам относятся белки актомиозинового комплекса, входящего в состав сократительного аппарата мышц.

Движение микроворсинок (жгутиков и ресничек бактерий и простейших) определяется взаимодействием другой пары моторных белков - динеина и тубулина. Смещение головок динеина относительно тубулиновых микротрубочек белков обеспечивает волнообразные движения микроворсинок. Среди большого числа моторных белков миозин скелетных мышц и кинезин из клеток мозга являются наиболее изученными молекулярными моторами. Несмотря на то, что функции миозина и кинезина в клетке различаются, они удивительно похожи по своему строению и механизмам действия.

Молекула кинезина работает следующим образом. Совместно с микротрубками цитоскелета она выполняет транспорт веществ внутри клетки и перемещение везикул. Если провести аналогию с макромиром, то микротрубки играют роль рельсов, по которым перемещаются молекулы белков кинезина (вагоны), неся на себе полезный груз. Один конец этой молекулы прикрепляется к везикуле, которую необходимо транспортировать, а другой - к микротрубке, которая направляет движение.

Молекула кинезина представляет собой димер, образованный двумя одинаковыми полипептидными цепями. Подобно молекуле миозина, с одной стороны каждой полипептидной цепи кинезина формируется глобулярная головка, соединенная со сравнительно длинным хвостом. Линейные размеры головки сравнительно невелики, они составляют 7,5 x 4,5 x 4,5 нм. Длина молекулы - 50 нм. Хвосты двух мономерных цепей сплетены вместе, а наклоненные в разные стороны головки образуют своеобразную «рогатину», которая непосредственно взаимодействует с глобулярными мономерами микротрубочки, вдоль которой перемещается кинезин.

Молекула "шагает" вдоль микротрубки, делая 8-нанометровые шаги. На рисунке кинезиновый комплекс перемещает органеллу меланосому (ответственную за синтез меланина) вдоль микротрубки. Чтобы сделать такой «шаг», молекула использует в качестве топлива одну молекулу АТФ. При этом сила, развиваемая одной молекулой кинезина, составляет величину 6 пН. Если бы такой мощностью в расчете на единицу массы обладали автомобильные моторы, то они могли бы легко разгонять машины до скоростей, существенно превышающих скорость звука. Коэффициент полезного действия кинезинового мотора также велик - примерно 50%.

В процессе "ходьбы" молекула кинезина может расщепить за одну секунду до 100 молекул АТФ, переместившись на 800 нм. Работая в качестве индивидуального молекулярного извозчика, кинезин может совершать перемещения на очень большие расстояния (до 1 мм).

Ученые из института им. Макса Планка попытались "приручить" кинезин вне клетки. Для этого они покрыли молекулами кинезина гладкую стеклянную поверхность, создав что-то вроде ковра, ворсинки которого представляли собой молекулы кинезина. Потом исследователи разместили на этой поверхности ряд микротрубок и микросфер. Исследователи добавили к среде раствор АТФ - и получился огромный "трубочный" конвейер. Если в клетке кинезин шагает вдоль микротрубки сам, то в искусственной системе молекула жестко закреплена, и свободные концы молекул "шагали" по микротрубкам, передвигая их.

Молекула миозина VI, напротив, - мономер, но ученые из Иллинойса считают, что полностью развернутая молекула этого энзима представляет собой димер. Это значит, что молекула может шагать по поверхности актина. "Миозин VI - маленькая молекула, которая может превращать химическую энергию в механическое движение и таким образом перемещаться по поверхности филаментов другой макромолекулы - актина", - говорит доктор Пол Селвин (Paul Selvin), один из исследователей из Иллинойского университета. - Наши исследования показали, что молекула миозина-VI может быть не мономером, как это случается во всем миозиновых моторах, а димером. Это позволяет нам сконструировать транспортер грузов на его основе".

В 2004 году д-р Селвин и его коллеги создали на основе миозина-VI "ходока", который передвигался по актиновым филаментам с шагом в 60 нм. "В этом эксперименте две молекулы миозина VI были "сшиты" вместе, формируя димер, который перемещался по актиновой поверхности, - говорит д-р Селвин. - Однако теперь мы знаем, что для работоспособного нанодвигателя можно использовать всего одну молекулу миозина-VI в качестве димера".

#gallery#
В последних экспериментах ученые использовали флуоресцентную технику визуализации FIONA (Fluorescence Imaging with One Nanometer Accuracy), с помощью которой удалось отслеживать шаги миозинового "ходока" с точностью до 1,5 нм.

В дальнейшем обе команды планируют создать микрочипы со встроенными конвейерами, работающими в разных направлениях. Это будет большим плюсом для будущих систем наносборки, так как НЭМС-конвейеры пока сделать достаточно трудно. Наверняка такие транспортные системы будут полезны и в «лабораториях на чипе», и в быстродействующих анализаторах.