Как бактериальные моторы помогут создать эффективные наномашины
Исследовательская группа под руководством профессора-эмерита Мичио Хоммы и профессора Сейджи Кодзимы из Высшей школы науки Университета Нагоя, в сотрудничестве с Университетом Осаки и Нагахамским институтом бионауки и технологий, получила новые данные о механизме движения бактерий.
Группа идентифицировала молекулу FliG в слое жгутика — «моторе» бактерий — и раскрыла её роль. Эти открытия указывают пути, по которым будущие инженеры смогут создавать наномашины с полным контролем над их движением. Исследование опубликовано в iScience.
По мере уменьшения размеров наномашин учёные черпают вдохновение у микроскопических организмов. В частности, жгутиковый мотор может вращаться по и против часовой стрелки со скоростью 20 000 об/мин. В масштабе это сопоставимо с двигателем Формулы-1 с энергетической эффективностью почти 100% и способностью мгновенно менять направление вращения на высокой скорости. Создание подобного устройства радикально повысило бы маневренность и эффективность наномашин.
Жгутиковые моторы бактерий состоят из ротора и окружающего его неподвижного статора. Если бы жгутик был частью автомобиля, статор был бы двигателем. Вращение статора передаётся ротору, как шестерня, заставляя его вращаться. В зависимости от направления вращения бактерия движется вперёд или назад, подобно автомобилю с режимами «драйв» и «реверс». Этот процесс контролирует белковый комплекс, называемый C-кольцом.
Внутри C-кольца молекула FliG действует как сцепление, переключая движение с переднего на задний ход. Как в автомобиле, все детали должны работать согласованно. Малейшее изменение может повлиять на мотор. В жгутиковом моторе такими изменениями являются мутации. Группа Хоммы изучила мутант G215A в FliG, который вызывает постоянное вращение мотора по часовой стрелке, и сравнила его с немутированной формой, способной двигаться в обоих направлениях.
При тестировании мутанта G215A у морского организма Vibrio alginolyticus выяснилось, что вращение по часовой стрелке вызвано изменениями в структуре FliG и взаимодействием молекул воды H2O вокруг белка. Такие же изменения наблюдались в нормальной форме при вращении по часовой стрелке, но они отличались от тех, что происходили при вращении против часовой стрелки.
«Жгутиковый мотор вращается в обоих направлениях: по часовой стрелке для движения назад и против часовой — для движения вперёд. В этом исследовании мы обнаружили, что структура FliG и взаимодействие молекул воды вокруг неё различаются при вращении мотора по и против часовой стрелки. Это различие позволяет бактериям мгновенно переключаться между движениями вперёд и назад в ответ на изменения окружающей среды», — сказал Хомма.
«Выяснение физических свойств белка FliG в моторах — значительный прорыв в понимании молекулярного механизма, переключающего направление вращения. Это указывает пути создания компактных моторов с более высокой энергетической эффективностью. Используя эти данные, можно будет проектировать искусственные наномашины, способные свободно контролировать своё вращение, что найдёт применение в различных областях будущего, таких как медицина и конструирование искусственной жизни», — добавил Хомма.