Дмитрий Соколов: Необычные изобретения. От Вселенной до атома

Известен так называемый ферментный мотор [2]. В нем по фибрилле 1 (рис. 11.1) длиной до 8 мкм, например молекуле белка тубулина, может перемещаться фермент 2, используя активные окончания (группы) 3, расположенные на белковых удлинениях 4. Причем эти движения похожи на шаги человека. Уже предпринимались попытки визуализации этих шагов с помощью сверхвысокоскоростного сканирования зондовым микроскопом. Скорость такого перемещения может достигать 100 мкм/сек. При этом энергия для перемещения может создаваться колебаниями различной природы, например инициируемыми гидролизом аденазинтрифосфорной кислоты (АТФ). А направление перемещения может определяться градиентами температуры, электрохимического потенциала, концентрации частиц, например броуновских, и т. д. По белкам актин и миозин, достигающим несколько микрон в длину, подобным образом внутрь клеток могут двигаться, например, хромосомы.

Рис. 11.1.Ферментный мотор

Природа может решать и обратную задачу, при которой на молекулах белка кинезин 1 (рис. 11.2), закрепленных на неподвижной поверхности 2 и также имеющих активные группы 3, расположенные на белковых удлинениях 4, перемещаются микротрубки 5 в мышечных «моторах». Это выглядит, как будто несколько человек, перебирая руками, перемещают длинную трубу над головой. А энергия перемещения та же – АТФ, колебания и градиенты. К линейным наномоторам относятся белки: миозины, кинезины и динеины, обеспечивающие сокращение мышц. Эти белки ' могут развивать усилия 3–6 пН, обеспечивать шаг 5–15 нм и скорость перемещения 0,8–3 мкм/сек. Здесь следует заметить, что управление этими «моторами», а значит, процессами жизнедеятельности могут осуществлять периодические солнечные и земные процессы, фазы луны, сезоны года [3]. Существуют даже более сложные и еще менее изученные космофизические факторы сверхмалых воздействий на все природные процессы, в том числе и биологические [4]. То есть произошло символическое сближение изобретений наномира с изобретениями Вселенной, с которых мы начинали эту книгу.

Очень интересное изобретение природы, называемое бактериофагом, который можно рассматривать как наномашину биологического происхождения, я подробно рассматривал в [5, 6]. Там же был представлен вариант гипотетической формулы изобретения на бактериофаг и рекомендации по составлению описания на подобные изобретения. В этом издании мы рассматриваем более простые примеры наномашин.

В качестве следующего примера рассмотрим биомолекулярный двигатель вращения (рис. 11.3), который создан совместными усилиями природы и учеными из университета г. Корнелла, США.

Он содержит рабочий модуль 1, состоящий из биомолекулярного кластера 2, в качестве которого природа использует биотинилированный цистелин. Внутри этого кластера расположена линейная биологическая молекула 3, способная осуществлять вращательное движение. С противоположной от нее стороны имеются гистидиновые концы 4 с активными группами 5. Описанный комплекс представляет собой бионаномотор, созданный природой, который использует, например, бактерия Е. coli для своего перемещения. Для этого на кончике линейной молекулы 3 расположен филамент жгутика (не показан), который работает как пропеллер и двигает ее вперед. Более подробно «мотор» этой бактерии описан в [2].

Рис. 11.2.Мышечный мотор

Далее этот бионаномотор посредством активных групп 5 закрепляют на искусственно созданном никелевом основании 6 высотой около 200 нм и диаметром 80 нм. После этого на кончик линейной молекулы 3 (туда, где природа размещает филамент жгутика) прикрепляют искусственно созданный «пропеллер» в виде никелевой микропроволоки 7. Учитывая малые размеры никелевого основания 6, для того чтобы с биомолекулярным двигателем вращения можно было бы осуществлять манипуляции, это основание закрепляют на платформе 8, которая будет различима в оптический микроскоп и которую уже можно захватывать микроманипулятором. Описанной информации вполне достаточно, чтобы составить формулу изобретения на биомолекулярный двигатель вращения. Вот вариант такой формулы.

1. Биомолекулярный двигатель вращения, содержащий рабочий модуль с установленной в нем осью, имеющей возможность кругового вращения, отличающийся тем, что в него введен исполнительный элемент, соединенный с осью.