«Живая природа – мир молекулярных машин»

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.

Смотрите также: Алексей Хохлов Полимеры в контексте «нано» Сергей Нечаев Фрактальная структура ДНК Сергей Нечаев Топология и загадка укладки ДНК Сергей Нечаев Почему не запутывается ДНК