От микробов к искусственной жизни: использование бактериальных двигателей для наномашин

Ученые из Университета Нагои, Университета Осаки и Института биологических наук и технологий Нагахамы совершили революционное открытие, касающееся механизма локомоции у бактерий. Их исследование, опубликованное в журнале iScience, проливает свет на роль молекулы FliG в жгутиковом слое - "моторе", отвечающем за движение бактерий. Эти открытия не только углубляют наше понимание того, как двигаются бактерии, но и способны произвести революцию в области нанотехнологий.

Поскольку наномашины продолжают уменьшаться в размерах, ученые обращаются к природе за вдохновением для того, чтобы заставить их двигаться и эффективно функционировать. Жгутиковый двигатель, обнаруженный у бактерий, привлек внимание исследователей благодаря своим удивительным возможностям. Этот микроскопический мотор может вращаться со скоростью до 20 000 оборотов в минуту, что сравнимо с двигателем Формулы-1. Если бы инженеры смогли воспроизвести этот мотор в более крупных масштабах, это позволило бы значительно повысить маневренность и эффективность наномашин.

Чтобы понять, как двигаются бактерии, необходимо разобраться в хитросплетениях жгутикового мотора. Подобно автомобильному двигателю, мотор состоит из ротора и неподвижного компонента, известного как статор. Статор действует как двигатель, передавая вращательное движение ротору через белковый комплекс, называемый С-кольцом. В зависимости от направления вращения бактерия движется вперед или назад, подобно автомобилю с задним ходом и драйвом.

Внутри С-кольца молекула FliG играет решающую роль в контроле направления движения бактерии. Она действует как сцепление, позволяя двигателю переключаться между движением вперед и назад. Подобно тонко настроенному автомобилю, для оптимальной работы все детали должны работать слаженно. Даже малейшая мутация или изменение в молекуле FliG может повлиять на функциональность мотора.

Исследовательская группа сосредоточилась на изучении мутантной формы FliG под названием G215A, которая вызывает постоянное вращение мотора по часовой стрелке. Сравнивая ее с немутировавшей формой, которая может двигаться в обоих направлениях, они смогли разгадать физические свойства FliG и его взаимодействие с молекулами воды.

Результаты исследования показали, что движение по часовой стрелке, наблюдаемое у мутантной формы, обусловлено изменениями в FliG и взаимодействием молекул воды, окружающих белок. Интересно, что аналогичные изменения наблюдались и в нормальной форме, когда она вращалась по часовой стрелке. Однако эти изменения отличались от тех, что наблюдались при вращении против часовой стрелки.

По словам профессора Мичио Хомма, одного из ведущих исследователей, "структура FliG и взаимодействие молекул воды вокруг него отличаются, когда мотор движется по часовой стрелке и против нее. Это различие позволяет бактериям мгновенно переключаться между движением вперед и назад в ответ на изменения окружающей среды".

Результаты этого исследования не только способствуют нашему пониманию локомоции бактерий, но и имеют большое значение для будущих наномашин. Имитируя сложный механизм жгутикового мотора, инженеры смогут разработать наномашины с точным контролем над их движением. Это может произвести революцию в различных областях, от медицины до производства.

Профессор Сейджи Кодзима, еще один член исследовательской группы, заявил: "Наши результаты дают ценное представление о проектировании и разработке наномашин, способных эффективно и точно перемещаться по сложным средам"