„Nano-Autobahn“ nėra kamščių

Nustatyti biomimetinių transportavimo sistemų, pagrįstų molekuliniais varikliais, parametrai

Rutulio transportavimas molekuliniais varikliais © MPI koloidams ir sąsajoms
skaityti garsiai

Mūsų ląstelėse mažų mašinų nanometrai užtikrina sunkų molekulinių krovinių srautą. Dabar tyrėjai imitavo ir pertvarkė, kaip šiuos molekulinius variklius būtų galima atskirti ir panaudoti konstruojant biomimetines transportavimo sistemas.

Kiekvienoje mūsų kūno ląstelėje yra daugybė mažų pūslelių, transportuojančių burbuliukus, kurie ląstelėse pernešami sudėtingais modeliais. Taigi, kai kurie iš šių pūslelių juda iš ląstelės centro į periferiją ir atgal, o kiti juda tarp skirtingų organelių ar ląstelių skyrių. Kraštutinis atvejis yra platus pūslelių ir organelių pernešimas išilgai mūsų nervinių ląstelių aksonų, kurių ilgis gali būti iki pusės metro.

Šie judesiai pagrįsti dviem molekuliniais komponentais: labai plonomis lazdelės formos gijomis, sudarančiomis sudėtingą bėgių tinklą, ir molekuliniais varikliais, judančiais išilgai gijų, pernešančiomis pūsleles ir kitas nanomedžiagas. Varikliai, sujungti su gijomis, gali paversti vienos ATP molekulės cheminę energiją mechanine jėga. Tokiu būdu maksimaliai sunaudojamas kuo mažesnis degalų kiekis.

Žiūrėjo iš prigimties

Kai gijos ir varikliai yra izoliuojami iš biologinių ląstelių, jie gali būti naudojami dirbtinėms transportavimo sistemoms kurti. Gana paprasta sistema susideda iš gijų, išlygintų ant pagrindo paviršiaus. Šie „bėgiai“ yra poliniai, todėl turi pliuso ir minuso polius. Gijos yra išlygintos taip, kad visi pliuso taškai būtų nukreipti ta pačia kryptimi. Tokiu būdu daugelis bėgių yra lygiagrečiai vienas kitam ir tokiu būdu sudaro kelių juostų nanokelę. Makso Planko tyrėjai tiria tokias biomimetinių modelių sistemas, kurios yra modeliuojamos pagal gamtą, kad nustatytų tuos kontrolės parametrus, kurie gali būti naudojami tokių nanosistemų transportavimo savybėms valdyti ir optimizuoti.

Kol kas yra tik pagrindinis supratimas apie atskirų motorinių baltymų, kurie juda gijomis, žingsnis po žingsnio, naudodamiesi savo dviem „kojomis“, elgesį. Žingsnio ilgis yra apie dešimt nanometrų. Per vieną sekundę variklis eina apie 100 žingsnių ir pasiekia maždaug vieno mikrono per sekundę greitį. Iš pradžių greičio dydis nėra labai įspūdingas, tačiau, palyginti su jo dydžiu, variklis juda neįtikėtinai greitai. Sportininkas, norėdamas pasiekti tą patį greitį, per vieną sekundę turėtų įveikti 200 metrų. displėjus

Sudėtinga variklių sąveika

Norint suprasti molekulinių variklių judėjimą biologinėse ląstelėse ir biomimetinėse sistemose, reikia peržengti vieną variklį ir apsvarstyti kelių variklių bendrą elgesį. Norint pasiekti didelį krovinių srautą, daugelis variklių turi būti eksploatuojami lygiagrečiai. Tačiau važiuodami keliais varikliais tuo pačiu keliu, jie susiduria ir sukuria molekulinę grūstį. Tai galima palyginti su mūsų spūstimis. Skirtingai nuo mūsų automobilių, kurie negali palikti kelio kamštyje, molekuliniai varikliai gali nusileisti nuo bėgių ir patekti į aplinkinius skysčius,

Potsdamo Maxo Plancko tyrėjai dabar sukūrė teorinius modelius, skirtus specialiai ištirti šias sudėtingas judesio struktūras. Keista, bet paaiškėjo, kad sistemos geometrija daro didelę įtaką spūsčių formavimuisi. Vieno ašių sistemose spūsčių negalima išvengti padidinant variklius, naudojamus krovininiame transporte. Tačiau radialinėse sistemose tokių strigčių galima labai išvengti, jei varikliai palieka kaitinimo siūles iškart po to, kai pasiekia teigiamą polių. Naujų modelių pagalba dabar galima numatyti, kaip optimali variklio koncentracija priklausys nuo atskirų variklių savybių.

Eismo reguliavimas ląstelių lygiu

Teorinės išvados atitinka eksperimentinius stebėjimus dirbtinėse biomimetinėse sistemose, taip pat biologinėse ląstelėse. Tyrėjai sugebėjo išplėsti teorinį supratimą apie sudėtingesnes sistemas, tokias kaip variklių, judančių priešinga kryptimi tuo pačiu siūlu, judėjimas. Tokia sistema turi tikrą fazių perėjimą iš mažo į didelį judesio srautą. Taip pat buvo parodyta, kad tam tikrų gijų modelių pagalba galima padidinti variklio difuziją lygiagrečiai paviršiui keliais didumo laipsniais. Šie rezultatai buvo pasiekti derinant analitinius skaičiavimus ir kompiuterinį modeliavimą.

Projektuojant naujas transporto sistemas, svarbu sistemingai tyrinėti įvairias sistemos architektūras. Pvz., Siūlelių modeliai su padidėjusia motorine difuzija kartu su mikrotraumais, skirtais DNR ir RNR hibridizavimui, leistų pasiekti didesnį hibridizacijos greitį. Apskritai, biomimetinės sistemos, pagrįstos molekuliniais varikliais ir gijomis, gali būti naudojamos norint gauti įvairius galimus taikymo būdus biotechnologijose, farmakologijoje ir medicinoje.

Taigi galimi nauji biomolekulių ir biokolloidų rūšiavimo įrenginiai arba narkotikų gabenimas varikliais į žmogaus ląsteles ar molekulines mašinas specialiems surinkimo ir gamybos procesams nanometrų diapazone. Ilgainiui netgi bus galima sukurti intelektualias biomimetines sistemas, galinčias reaguoti į besikeičiančias aplinkos sąlygas ir išlikti funkcionalias.

(MPG, 2005 5 12 - NPO)