4.5.2.2. Биологические моторы как часть синтетических систем

Замечательная производительность биологических моторов навела на мысль использовать их в синтетических наноустройствах (в настоящее вре­мя не создано ни одного синтетического молекулярного мотора, хоть сколько-нибудь сопоставимого по эффективности с природными машинами). Недо­статком таких систем может быть необходимость работать в условиях, прибли­женных к физиологическим. Интеграция биологических молекулярных моторов в синтетические наноустройства находится в стадии доказательства принципи­альной осуществимости, и поэтому до создания работоспособных устройств дело пока не дошло. Тем не менее уже продемонстрирована принципиальная возможность изъять биологические моторы из их биологического контекста, после чего они продолжают работать с той же высокой эффективностью, что и внутри клетки.

Возможно самая разработанная схема использования биологических мо­торных белков в синтетическом окружении стала следствием разработки мето­да исследования белковых линейных моторов, известного как анализ подвиж­ности. Например, при испытании на скольжение слой белков линейных мото­ров фиксируют на некой поверхности. Наиболее распространенными моторами для подобных испытаний являются кинезины. После их обездвиживания мото­ры приводят в контакт с раствором, содержащим микротрубочки. Поверхност­ная плотность кинезинов должна быть достаточна высока, а микротрубочки должны быть достаточно длинны, чтобы к каждой микротрубочке оказались присоединены по меньшей мере три молекулы белка. Если добавить в раствор топливо в виде молекул АТФ, микротрубочки начнут непрерывное движение вдоль поверхности, приводимое от кинезиновых моторов.

Например, можно представить себе поверхность, покрытую кинезином, как набор молекулярных челноков, перемещающих молекулы с места на ме­сто по поверхности. Но на пути к практической реализации данного подхода необходимо преодолеть два препятствия. Во-первых, надо найти способ на­правлять движение микротрубочек в том направлении, куда необходимо на­править груз. А во-вторых, нужно найти способ нагружать и разгружать мик­ротрубочки.

Рис.4.8.

Один из предложенных способов направлять движение микротрубочек со­стоит в селективной адсорбции моторных белков на заранее проложенный «путь». Этого можно добиться, например, с помощью электронно-лучевой литогра­фии, фотолитографии или даже одним из методов мягкой литографии, проведя по поверхности линии, на которые и будут селективно адсорбироваться мотор­ные белки. Вместо этого можно воспользоваться особенностями топографии: если бы моторные белки адсорбировались только понизу физических каналов, то движение микротрубочек оказалось бы ограничено направлением, задаваемым этими каналами. Еще один способ направлять движение микротрубочек мог бы состоять в использовании внешнего поля. Электрическое поле могло бы прикладываться с помощью структурированной матрицы электродов на поверхности. Применение магнитного поля стало бы возможным в том случае, если бы микротрубочки можно было закрепить на магнитных микросферах.

Загрузка молекул на микротрубочки могла бы осуществляться с помощью специфического спаривания белок-лиганд. Одна из демонстраций принципи­альной осуществимости этого способа состоит в закреплении шариков, покры­тых стрептавидином, на микротрубочках с биотином, которое становится воз­можным благодаря специфическому взаимодействию между биотином и стреп­тавидином. Однако, откровенно говоря, для того, чтобы превратить испытания на скольжение в механизм направленного движения в работоспособных нано-устройствах, предстоит проделать очень большую работу.

Другим захватывающим примером интеграции биологических моторов в синтетические системы является использование поворотной части мотора АТФ-синтазы, Fl-АТФазы (рис. 9.10). На рис. 9.10 показан массив наноструктури-рованных никелевых столбиков, изготовленных методом электронно-лучевой литографии. С помощью самосборки на каждый из таких столбиков монтиру­ется поворотный мотор. И наконец, за счет специфической связи между био­тином и стрептавидином к каждому из моторов крепится никелевый нанопро-пеллер. Полученные структуры начинают раскручиваться после воздействия на них раствором АТФ.