Бионаномашины: Белки как борцы с сопротивлением

Трение ограничивает скорость и эффективность макроскопических двигателей. Верно ли это и для наномашин? Исследовательская группа из Дрездена использовала лазерные пинцеты, чтобы измерить трение между отдельной молекулой моторного белка и его "рельсом". Команда обнаружила, что и внутри наших клеток моторы работают против сопротивления трения, что ограничивает их работу — хотя обычно далеко не так сильно, как их макроскопические аналоги. Эти первые экспериментальные измерения трения белков могут помочь учёным лучше понять ключевые клеточные процессы, такие как деление клетки, которое управляется такими молекулярными машинами.

Трение замедляет белки

Учёные из Биотехнологического центра (BIOTEC) Дрезденского технического университета и Института молекулярной клеточной биологии и генетики Общества Макса Планка (MPI-CBG) иммобилизовали молекулярный мотор кинезин на микросфере, которую удерживали лазерным пинцетом, и протащили по его "рельсу" — микротрубочке. Таким образом сила трения между мотором и микротрубочкой была измерена с высокой точностью.

Исследователи объясняют, что белок в отсутствие источника энергии совершает "диффузионные скачки" шириной восемь нанометров (миллионная доля миллиметра), что соответствует длине субъединиц тубулина, из которых состоит микротрубочка. Моторы переступают с одной субъединицы тубулина на соседнюю, образуя новую связь с филаментом микротрубочки, в то время как другая связь разрывается. При растягивании пинцетом энергия, высвобождаемая при разрыве этих связей, теряется в виде трения.

Эффективные наномашины

Трение белков также даёт представление об эффективности кинезина. "Около половины энергии от топлива мотора — АТФ — рассеивается в виде трения между мотором и его субстратом", — комментирует Джонатон Ховард. Эрик Шеффер добавляет: "То, что остаётся после дальнейшего рассеивания внутри мотора, используется для механической работы — эффективность обычно намного выше, чем у созданных человеком машин".

Рассеянная энергия в конечном итоге преобразуется в тепло, которое способствует нагреву нашего тела. Таким образом, например, наши мышцы частично нагреваются за счёт трения белков, когда моторные белки мышц выполняют свою работу.

Источник: Volker Bormuth, Vladimir Varga, Jonathon Howard, Erik Schäffer; Protein friction limits diffusive and directed movements of kinesin motors on microtubules; Science 325, 870 (14 августа 2009); doi:10.1126/science.1174923