Новая теория молекулярных моторов.

Ученые из Института коллоидов и поверхностей имени Макса Планка (Max Planck Institute of Colloids and Interfaces) разработали новую теорию, в которой утверждается, что для направленного транспорта микрообъектов достаточно семи или восьми двигательных молекул. Проведенные после этого расчеты показали сильно нелинейную зависимость между скоростью и силой сопротивления движению.

Молекулярные моторы участвуют в переносе всех видов «грузов» в клетках живых организмов. Они движутся пошаговым образом вдоль волокон цитоскелета, потребляя энергию АТФ. Так, например, кинезиновые и динеиновые моторы двигаются вдоль микротрубочек. Длина шага этих моторов составляет около 10 нм. Делая же множество таких шагов в определенном направлении, они могут переносить частицы, по размерам намного большие, чем сами моторы. Кроме их важности для функционирования клеток, молекулярные моторы имеют большие перспективы в биомиметических (т.е. напоминающих биологические) системах и могут стать ключевым компонентом в будущих био-нанотехнологиях.

Активный клеточный транспорт, осуществляемый молекулярными моторами, особенно важен для нервных клеток (нейронов). Данные клетки имеют отростки – аксоны, часто достигающие метра в длину (примером могут служить аксоны, соединяющие спинной мозг с пальцами рук или ног). Внутри таких аксонов микротрубочки являются основой, вдоль которой молекулярные моторы переносят свой груз, например, везикулы с нейротрансмиттерами.

За последнее десятилетие наше знание о молекулярных моторах значительно расширилось. Главным образом, это было связано с постановкой крупных одномолекулярных экспериментов, а также с созданием биомиметических модельных систем, позволяющих изучать молекулярные моторы за пределами живых клеток. Одной из таких систем является опыт по перемещению латексных шариков вдоль закрепленных на поверхности волокон с помощью молекулярных моторов (см. рис.). Наблюдение за движением шарика производилось с помощью микроскопа.

движение шарика вдоль поверхности

Важным результатом подобных экспериментов стало то, что молекулярные моторы имеют сильную тенденцию терять направление движение. Это является прямым следствием того, что они имеют нанометровые размеры, а потому крайне подвержены тепловому шуму. По этой причине, отдельная молекула-«мотор» может прикрепиться к волокну на относительно короткое время, порядка секунды. За этот промежуток она покрывает расстояние около микрометра, что является лишь малой долей (1/10000) всего пути, который должна пройти частица в аксоне. Другими словами, отдельный молекулярный мотор работает как «спринтер», тогда как переносимая частица – как «марафонец».

Теперь ученые смогли найти простое решение этой загадки. Если частица двигается под действием нескольких молекул-«моторов», как показано на рисунке, то любая отсоединившаяся из них продолжает оставаться вблизи волокна – по той причине, что частица удерживается другими молекулами. Таким образом, спустя определенное время молекула может вновь прикрепиться к волокну и продолжить перемещение частицы.

Данный механизм движения был получен в рамках новой теоретической модели. Используя ее, ученые смогли рассчитать некоторые параметры движения, например, среднюю скорость и среднее расстояние, на которое переносится частица, в зависимости от максимального числа действующих молекулярных моторов. Так, для кинезиновых молекул вычисления показали, что для транспорта на расстояние порядка сантиметра достаточно 7-8 молекул, тогда как 10 молекул способны осуществить перенос на расстояние одного метра.

Если молекулярные моторы двигаются против внешней силы, она распределяется между ними. Одним из очевидных следствий здесь является замедление движения. Кроме того, сила, действующая на каждую молекулу-«мотор», значительно повышает вероятность ее отсоединения от волокна. Отсюда следует, что после отсоединения возрастет нагрузка на оставшиеся молекулы, которые также отсоединятся, и так далее. Подобный каскадный процесс приводит к сильно нелинейной зависимости между скоростью транспорта частицы и приложенной внешней силой.