Полiт.ua Государственная сеть Государственные люди Войти
10 декабря 2016, суббота, 17:34
Facebook Twitter LiveJournal VK.com RSS

НОВОСТИ

СТАТЬИ

АВТОРЫ

ЛЕКЦИИ

PRO SCIENCE

ТЕАТР

РЕГИОНЫ

«Живая природа – мир молекулярных машин»

Молекулярный пропеллер
Молекулярный пропеллер
Wikimedia Commons

14 ноября доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории Теории сложных систем Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН Владик Аванесович Аветисов в рамках проекта «Публичные лекции "Полит.ру"» прочитал лекцию на тему «Молекулярные машины: что это такое и как их делать?».

Все процессы в живых клетках осуществляются структурами, которые можно назвать молекулярными машинами, или «нано-машинами». Гемоглобин доставляет в клетку кислород, в митохондриях синтезируется АТФ, постоянно происходит транспортировка веществ через клеточную мембрану, как внутрь, так и наружу. На основе молекулы ДНК строится РНК, в рибосомах на основе РНК синтезируются белки. В целом клетка напоминает конвейер или даже целый завод со множеством агрегатов, работающих беспрерывно и точно. При этом объекты, которые обрабатываются на «станках» этого завода, это отдельные молекулы и атомы.

Но не только сочетание удивительной точности и малого размера необычно в этом «заводе». Надо помнить, что этот завод собрал себя сам и сам поддерживает свое функционирование. Ведь все «молекулярные машины» собираются по инструкциям, записанным в ДНК, а молекулы ДНК и РНК собираются молекулярными машинами. Таким образом, как сформулировал В. А. Аветисов: «Клетка – это операционная система, построенная из молекулярных машин и производящая молекулярные машины».

Еще одно не менее поразительное свойство молекулярных машин связано с тем, что на атомном уровне очень сильно проявляются флуктуации. Флуктуации атома достигают 1 ангстрема, тогда как молекула белка должна переместить этот атом в нужное место с точностью до 0,1 ангстрема. Если атомы не займут точно нужную позицию, биохимическая реакция, которую осуществляет наша молекулярная машина, просто не произойдет. В. А. Аветисов сравнил это с попыткой трясущимися руками попасть ниткой в игольное ушко.

Принцип, по которому действуют молекулярные машины, не отличается от принципа, который существует в «большой» механике: «чтобы работать точно, надо работать медленно». В лекции было продемонстрировано изучение того, как себя ведет молекула белка миозина, образующего сократительные волокна мышц. Это сложная молекула, состоящая из множества атомов. Изучались собственные движения частей молекулы. Упрощенно ее можно представить в виде атомов, соединенных между собой упругими связями. Если эта конструкция придет в движение, то атомы могут колебаться относительно друг друга в самых разных вариантах: у системы очень много степеней свободы.

На деле же получается, что молекула миозина, возбужденная при получении энергии, действительно будет испытывать быстрые случайные колебания разных своих частей, но очень быстро эти колебания сводятся к более медленным движениям ее крупных субъединиц, а прочие колебания частей молекулы постепенно становятся всё реже и реже. Иными словами молекулярная машина оказывается способной преобразовать возмущения быстрых степеней свободы в механические движения одной-двух крупных субъединиц. Здесь В. А. Аветисов приводит аналогию с поршнем в паровом двигателе, который совершает сравнительно медленные механические движения под влиянием быстрых и случайных движений молекул.

Может ли мы искусственно создать такую нано-машину, способную, не смотря на множественные флуктуации, точно работать с объектами атомного масштаба? Например, сделать искусственный нано-дивигатель, то есть молекулярную структуру, которая преобразует тепловую энергию в механическое движение. Конечно, молекулярные машины создаются методами генной инженерии, когда люди меняют записанную в ДНК инструкцию и заставляют клетку синтезировать определенные белки. Но ученым хочется научиться создавать молекулярные машины, которые принципиально отличаются от тех, которые работают в живой клетке, которые нельзя создать, закодировав нужный белок в ДНК. Как создать молекулярную машину, не прибегая к помощи живой клетки?

Для этого можно использовать полимеры, но не всякие. Дело в том, что важные свойства молекулярных машин обеспечиваются их структурой. Если мы возьмем просто полимерную глобулу, напоминающую глобулу миоглобина, то обнаружим, что структура ее собственных колебаний не такая, как у белка: быстрые хаотические колебания не затухают, сводясь к одному-двум медленным движениям больших частей молекулы, а продолжаются долго и без всякого порядка. То есть обычная полимерная глобула на роль молекулярной машины не подходит совсем.

Другое дела – фрактальная глобула. В ней нить белка не смотана в хаотический клубок, а уложена фрактально, то есть ее изгибы воспроизводятся аналогично на более высоком уровне. Иными словами, она обладает свойством самоподобия. О таком способе укладке нитей белковых молекул ранее рассказывал в лекции Полит.ру доктор физико-математических наук Сергей Нечаев. Так вот оказывается, что фрактальная структура как раз и позволяет передавать энергию с быстрых степеней свободы на медленные. И поведение фрактальной глобулы при энергетическом возбуждении такое, как у молекулы природного белка. Значит, иерархия и самоподобие – это то, что нужно для создание искусственных молекулярных машин.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
Подпишитесь
чтобы вовремя узнавать о новых спектаклях и других мероприятиях ProScience театра!
3D Apple Facebook Google GPS IBM iPhone PRO SCIENCE видео ProScience Театр Wi-Fi альтернативная энергетика «Ангара» античность археология архитектура астероиды астрофизика Байконур бактерии библиотека онлайн библиотеки биология биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера бозон Хиггса визуальная антропология вирусы Вольное историческое общество Вселенная вулканология Выбор редакции гаджеты генетика география геология глобальное потепление грибы грипп демография дети динозавры ДНК Древний Египет естественные и точные науки животные жизнь вне Земли Западная Африка защита диссертаций землетрясение зоопарк Иерусалим изобретения иммунология инновации интернет инфекции информационные технологии искусственный интеллект ислам историческая политика история история искусства история России история цивилизаций История человека. История институтов исчезающие языки карикатура католицизм квантовая физика квантовые технологии КГИ киты климатология комета кометы компаративистика компьютерная безопасность компьютерные технологии коронавирус космос криминалистика культура культурная антропология лазер Латинская Америка лженаука лингвистика Луна мамонты Марс математика материаловедение МГУ медицина междисциплинарные исследования местное самоуправление метеориты микробиология Минобрнауки мифология млекопитающие мобильные приложения мозг Монголия музеи НАСА насекомые неандертальцы нейробиология неолит Нобелевская премия НПО им.Лавочкина обезьяны обучение общество О.Г.И. открытия палеолит палеонтология память педагогика планетология погода подготовка космонавтов популяризация науки право преподавание истории происхождение человека Протон-М психология психофизиология птицы ракета растения РБК РВК регионоведение религиоведение рептилии РКК «Энергия» робототехника Роскосмос Роспатент русский язык рыбы Сингапур смертность Солнце сон социология спутники старообрядцы стартапы статистика технологии тигры торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология Фестиваль публичных лекций физика физиология физическая антропология фольклор химия христианство Центр им.Хруничева школа эволюция эволюция человека экология эпидемии этнические конфликты этология ядерная физика язык

Редакция

Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
Адрес: 129343, Москва, проезд Серебрякова, д.2, корп.1, 9 этаж.
Телефоны: +7 495 980 1893, +7 495 980 1894.
Стоимость услуг Полит.ру
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003г. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2014.