Создан первый искусственный молекулярный двигатель, который ходит по ДНК
Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее создали первый искусственный белковый двигатель, способный самостоятельно передвигаться вдоль молекулы ДНК. Работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology. Белок получил название Tumbleweed — в честь перекати-поля, катящегося по прерии.
Три ноги, одна молекула ДНК
Tumbleweed движется по специально созданной ДНК-дорожке, попеременно опираясь на три белковых «ноги». Каждая из них цепляется за определенные участки ДНК-последовательности, отталкивается и переносит конструкцию на следующий шаг длиной 16 нанометров — примерно в десять тысяч раз тоньше человеческого волоса.
Направление движения и момент шага управляются извне — через изменение химической среды вокруг молекулы. Меняешь последовательность химических сигналов — двигатель идет в другую сторону. Это принципиально отличает Tumbleweed от природных молекулярных моторов, которые работают автономно, по внутренней программе.
Зачем это нужно
В живых клетках уже существуют молекулярные двигатели — кинезин, динеин, миозин. Они транспортируют грузы внутри клетки, обеспечивают сокращение мышц и выполняют десятки других механических задач. Без них жизнь в ее нынешнем виде была бы невозможна.
Но понять, как именно эти машины работают, крайне сложно — они созданы эволюцией за сотни миллионов лет и устроены так, что разобраться в механизме, просто наблюдая за ним, недостаточно. Здесь и вступает в силу логика, которую команда исследователей прямо называет фейнмановской.
«Мы следуем принципу физика Ричарда Фейнмана: "Чего я не могу создать, того я не понимаю". Таким образом, мы можем изучить принципы, благодаря которым наноразмерные белковые двигатели достигают своих замечательных характеристик, и начать понимать компромиссы, связанные с этим», — говорит профессор Пол Курми из Университета Нового Южного Уэльса.
Двадцать лет к одному результату
Tumbleweed собран из белковых модулей, каждый из которых сам по себе никуда не движется. Но собранные вместе определенным образом, они образуют работающую машину. Это похоже на детали конструктора — ни одна шестеренка в отдельности не является часами, но вместе они идут.
«Этот момент знаменует собой кульминацию двух десятилетий исследований нашей национальной и международной команды. Мы продемонстрировали, что можем создавать совершенно новые свойства белков, собирая существующие биологические компоненты новыми способами», — говорит Курми.
Что умеет и чего пока не умеет
Сейчас Tumbleweed проходит около 100 нанометров — это порядка шести шагов подряд — со скоростью примерно 1 нанометр в секунду. По меркам молекулярного мира это медленно: природный кинезин движется в тысячи раз быстрее. Но для первого искусственного белкового двигателя с контролируемым направлением движения — уже значимый результат.
Следующая задача команды — увеличить и дистанцию, и скорость, а также создать автономную версию, которая не требует внешнего химического управления на каждом шаге. Сейчас двигатель нуждается в подсказке извне, чтобы сделать следующий шаг — как машина, которую нужно заводить вручную на каждом светофоре.
Управляемые белковые наномашины открывают несколько направлений применения. Одно из наиболее обсуждаемых — биологические вычисления. Молекулярные двигатели потенциально способны обрабатывать информацию параллельно, потребляя при этом ничтожно мало энергии по сравнению с кремниевыми чипами. Это делает их интересными с точки зрения создания энергоэффективных вычислительных систем.
В более отдаленной перспективе — адресная доставка лекарств внутри клетки, молекулярная сборка и другие задачи, где нужна точность на уровне отдельных молекул. Но до этого Tumbleweed пока далеко — сначала нужно научить его ходить быстрее и дальше.
