наноботы что это такое

наноботы что это такое

«Умные» наноботы впрыскивают вещества, реагируя на состояние мозга

наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое
При излишнем возбуждении человеку автоматически впрыскивают успокоительное

Представьте, что по вашему кровотоку курсируют миллионы наноботов с разными лекарствами (и не только лекарствами, но и другими веществами: например, стимуляторами). По желанию вы мысленно снимаете «замок», активируете ботов — и получаете необходимую дозу. Более того, наноботы способны срабатывать автоматически, реагируя на состояние мозга. Например, при увеличении агрессии или тревожности, при излишнем возбуждении человеку автоматически впрыскивается успокоительное. При усталости — кофеин и другие энергетики. При печали — антидепрессант. Да что тут говорить, такие наноботы могут даже поддерживать постоянный безопасный уровень алкоголя в крови, не превышая его!

Подобная фантастика станет возможной, если получит развитие уникальная технология мысленного контроля и дистанционной активации наноботов с лекарствами, которую разработали специалисты Межотраслевого центра в Герцлии и Университета им. Бар-Илана в Рамат-Гане (оба научных заведения находятся в Израиле).

В данный момент технология пока находится в зачаточном состоянии. Учёные сумели сконструировать только контейнеры для лекарств с «замком», который открывается под воздействием электромагнитного излучения. Предполагается, что человек должен носить с собой источник-передатчик такого ЭМИ, а этот передатчик должен подключаться к носимому сканеру головного мозга, который снимает электроэнцефалограмму в реальном времени. При регистрации определённой активности мозга сканер подаёт сигнал — и срабатывает передатчик ЭМИ. В электромагнитном поле «замок» нанобота открывается — и нужное лекарство поступает в организм.

наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое
Алгоритм срабатывания нанобота, который выделяет лекарство в организм таракана по мысленной команде человека (опыты проводились на тараканах). Слева внизу показана структура экспериментального протокола, в котором значения 1 и 0 соответствуют наличию или отсутствию когнитивной активности у человека, а справа внизу — классификация реального наличия/отсутствия мозговой активности по классификации рабочего протокола SLACC

Во время экспериментальных испытаний наголовный сканер запрограммировали распознавать не какую-то определённую активность мозга, а любую активность. То есть в отсутствие мозговой активности передатчик ЭМИ не получал никаких команд, а при появлении мозговой активности — вступали в действие наноботы в организме и впрыскивали таракану лекарство (опыты проводились на тараканах). Испытания прошли успешно.

наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое
Нанороботы выделили лекарство в организм этого таракана усилием человеческой мысли. Фото: National Geographic Photo Ark/Getty

Главной инновацией в этой научной работе является конструкция нанобота, разработанного из молекул ДНК по методу оригами с помощью компьютерной программы caDNAno 2.0 (файлы для изготовления ДНК-нанороботов приложены к научной работе). Роботы изготовлены из молекул ssDNA, взятых у вируса-бактериофага M13mp18 в качестве каркаса, остальные части изготовлены под заказ компанией Integrated DNA Technologies. Фолдинг роботов-оригами производился в трис-ацетатном буфере (стандартном буферном растворе) при стандартном температурном цикле для фолдинга.

Нанороботы представляют собой миниатюрные лекарственные контейнеры с «замком», в котором цепочки ДНК химически связаны с наночастицей из оксида железа, которая реагирует на электромагнитное излучение (на иллюстрации слева вверху). В качестве лекарства использовался флуоресцентный материал, и на диаграмме слева внизу показано изменение уровня флуоресценции при активации передатчика ЭМИ.

наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое

Измерение с помощью проточной цитометрии показало, что роботы не разрушаются после открытия замка. На диаграмме справа внизу показано количество закрытых роботов в потоке (чёрным), открытых роботов (зелёным) и дистанционно активированных роботов (маджентой).

Теперь изобретателям нужно откалибровать сканер на различные виды мозговой активности, а также создать разные типы «замков» для наноботов, чтобы одновременно можно было носить в организме разные виды лекарств. Кроме того, полезно будет наладить контакт передатчика с другими сенсорами, не только с мозгом. Например, с сенсором, определяющим концентрацию алкоголя или сахара в крови. В этом случае наноботы будут впрыскивать вещество независимо от желания человека, по показаниям сенсоров.

Кроме того, следует разработать более компактные портативные мозговые сканеры, которые человек может носить постоянно каждый день. Авторы изобретения предполагают, что такие устройства будут выглядеть довольно стильно, как спортивная повязка на лбу. А в роли излучателя ЭМИ выступит, например, фитнес-браслет.

Учёные полагают, что такая технология в будущем может найти применения для лечения психических болезней, в том числе шизофрении. Алгоритм можно настроить на определение разных видов мозговой активности: «Алгоритм может отслеживать состояние мозга, которое лежит в основе СДВГ или шизофрении, например. Его можно модифицировать под ваши нужды, — говорит Шахар Арнон (Sachar Arnon), член научно-исследовательской группы из Межотраслевого центра в Герцлии.

Другими словами, лекарство будет выпущено в организм человека ещё до того, как человек осознал необходимость принять лекарство. Это особенно полезно в тех случаях, когда человек не в состоянии осознать такую необходимость.

«Умные» лекарства с дистанционным управлением — очень привлекательная и перспективная технология. Главное, чтобы она не попала в руки злоумышленников. Вдруг в несвободных странах с диктаторскими режимами у властей появится соблазн контролировать мысли граждан, автоматически впрыскивая им лекарство при появлении определённой мозговой активности?

Источник

Наноробот, который может изменить Вселенную

наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое

Нанотехнологии, нанороботы — разговоры вокруг приставки «нано» не утихают уже лет 10 и, скорее всего, не утихнут никогда. Потому что нанотехнологии могут изменить мир так быстро и столь масштабно, что ты не узнаешь свою родную планету. Но мы хотим рассказать тебе именно о нанороботах. Именно в их каноничном смысле. Сейчас «каноничный» наноробот пока не изобретен, но есть неплохие шансы на то, что это однажды случится. А если нет, то мы просто предположим, что это возможно, и подумаем о том, что это нам сулит (кое-что очень крутое).

Последний пункт крайне важен. Во-первых, обладая такой способностью, наномашина сможет реплицировать себя — создать свою точную копию. Такое своеобразное размножение. Во-вторых, наноробот сможет взаимодействовать с атомами, менять их и перестраивать, создавая из одного вещества совершенно другое. И это открывает потрясающие перспективы перед человечеством. Прежде чем мы перейдем к сути, скептикам стоит услышать небольшой экскурс в будущее. Иначе всё, что мы скажем, будет восприниматься не более чем фантастикой.

Дело в том, что динамика развития технологий, в частности, инженерных, компьютерных, микробиологии и генной инженерии позволяет более-менее верно предугадать наши возможности в недалеком будущем. Но наше сознание инертно, а прогресс человечества ускоряется. Возможно, мы настолько слепы, что даже недооцениваем будущее, которое ждет нас через 5, 15, 50 лет. Уже сейчас мы практически научились побеждать рак (и другие болезни), мы выращиваем органы и печатаем высокотехнологичные протезы на 3D-принтерах, мы уже редактируем человеческий геном и можем обеспечить едой всю планету, и уже сейчас мы создаем нанодвигатели и примитивных роботов размером с молекулу (почитай статьи за неделю в любом научно-популярном новостном журнале — удивишься, сколько всего происходит). Да и вообще, у нас под носом мириады микроорганизмов — по сути, нанороботы от природы. Посмотри, например, видео ниже, где показан синтез белка, — чем не робот?

Так что мозговыносящее будущее уже не за горами. Есть даже вероятность, что ты сможешь наслаждаться им бесконечно долго — обретя бессмертие благодаря технологиям. Или нанороботам, которые эти технологии смогут использовать. Теперь расскажем о том, что нам дают нанороботы, а потом поговорим о том, как и почему это может стать достоянием всего человечества.

Нанороботы рулят

Да, именно так! Вот есть у тебя, к примеру, кучка личных нанороботов. Даешь им команду скрафтить тебе самый лучший бургер в мире — и пожалуйста! Они ведь могут просто взять грязь у тебя под ногами и переделать ее в любое другое вещество. В аппетитную булочку с вкуснейшим мясом. Или в борщ. Неважно — проблема еды на планете исчезнет моментально. Зачем нам тысячи полей и скотобоен, если каждый сможет получить «скатерть-самобранку»?

Нанороботов достаточно запустить в наш организм, чтобы они смогли добраться до любого участка тела. До любого очага болезни. Например, до раковой опухоли, чтобы уничтожить ее. Разве не круто? Но давай взглянем чуть глубже — нанороботы могут изменить наше тело. Обновить его или вообще модифицировать. Хочешь больше мускулатуры? Пожалуйста! Идеальное зрение? Да хоть третий глаз! Новое сердце? Больше мозгов? Член в 49,5 см?

Каждый с рождения сможет обучаться чему угодно. Каждый сможет быть своеобразным Эйнштейном, гением. Мы станем богоподобными существами.

Разработки Hive, Hololens и Okulus Rift, Neurolink и рядом не стоят с тем, что могут дать нам нанороботы. Подумай, ведь это идеальный, масштабируемый и бесконечно гибкий нейроинтерфейс. Виртуальная реальность может стать для нас вторым домом, ведь нанороботы смогут вводить информацию в мозг напрямую, минуя провода. Это, конечно, опасно, ведь мозги можно будет хакнуть или манипулировать людьми, но давай не будем о плохом. Весь интернет в твоей голове, доступ ко всем знаниям мира — разве это не круто? Или интерактивные фильмы, игры c твоим непосредственным участием. Целые миры, какие только можно представить. А про дополненную реальность можно и вообще не упоминать — это практически само собой разумеющаяся возможность.

Заводы и производства будут не нужны. Зато будут нужны инженеры, ученые и светлые умы. Вообще, с наступлением эпохи нанороботов человечество лишится каких-либо ограничений и наука сделает просто невообразимый рывок вперед. Нанороботы — это катализатор, который выведет человечество на другой уровень эволюции. Мы сможем создавать любые мыслимые устройства, с любыми характеристиками и возможностями.

Если говорить о более приземленных вещах, то ничто тебе не помешает запилить за несколько минут новый iPhone (хотя кому он будет нужен, но для примера пойдет) или построить красивый дом, поменять планировку или дизайн квартиры. Хотя, скорее всего, понятие недвижимости в принципе исчезнет из нашего мира — твой дом будет там, где находишься ты.

А вот работы и денег мы можем лишиться. И это еще одна из проблем. Тебе и вообще никому не нужно будет работать, чтобы обеспечить свое выживание. Деньги, как класс, тоже не будут нужны — всё, что можно купить, можно создать здесь и сейчас бесплатно. Вопрос: что будут делать люди, если у них будет всё? Наслаждаться жизнью? Творить? Заниматься наукой? Сложный вопрос, на который пока что ни у кого нет ответа. Остается лишь верить в разумность наших собратьев и просто в человечество. Ведь мы умеем находить выход из самых неприятных ситуаций.

Войны. Будут ли вестись войны? Если ресурсы станут безграничны и вседоступны, то нужно ли будет за них бороться? Про идеологические причины войн можно не рассуждать — наше сознание претерпит непрогнозируемые изменения вместе с изменением мира. Но предложить свое видение можешь в комментариях под статьей.

Нанороботы для всех

А теперь немного математики. В Brodude с ней неважно, ведь мы гуманитарии, но немного поднапрячь извилины было приятно. Да и для осознания масштабов достаточно школьной математики. Надеемся, что не ошиблись. Поехали.

Предположим, что один наноробот занимает 1000 кубических нанометров (10*10*10 нанометров). Учтем, что им нужно пространство для перемещения. Для этого можно просто увеличить «размер» наноробота в два раза. Тогда занимать он будет примерно 8*10^3 или, для простоты, 10 000 куб. нанометров.

Следовательно в одном кубометре может уместиться

(10^5)^3 = 10^15
или
1 000 000 000 000 000 штук.

Далее предположим, что процесс создания копии одним нанороботом занимает у него 1 час.

За 1 час — один робот.
За второй — 4 (ведь их уже двое).
За третий час — 8 нанороботов.

Обычная геометрическая прогрессия. Можем вывести формулу зависимости количества (count) от времени (t):

Найдем время, нужное для создания 10^15 штук.
log(2)10^15 = 40 часов

Всего лишь 40 часов, КАРЛ, чтобы заполнить 1 кубометр пространства нанороботами.

пусть 40 часов — это «X», виртуальная единица времени:
за Х — 1 м³,
за 2Х — 2 м³,
за 3Х — 4 м³.

T(X)= 2^(X-1), почти идентичная предыдущей. Объем Земли — 1.08 * 10^21. Упростим и посчитаем итоговое время:

log(2) 10^21 — 1 = 70X
70 * 40 = 2800 часов или 116 дней.

116 дней, чтобы превратить Землю в огромный шар из нанороботов (при заданных параметрах). А теперь представь, что наноробот будет тратить минуту, а не час, на создание своей копии. Тогда апокалипсис настанет через 46 часов.

Но так много нам их, конечно, не нужно. Если на человека нужен лишь кубометр, чтобы обеспечить 6 млрд людей, нужно 6 млрд м³ вещества. Это, по сути, куб со стороной 2000 метров. То есть очень мало. Сторона куба уместится в центре Краснодара. Так что каждого жителя Земли можно обеспечить личными нанороботами — это вообще не проблема.

Колонизация космоса

Идея в том, что человечеству достаточно одного наноробота. Всего лишь одного, чтобы изменить целый мир. Вопрос лишь в наличии вещества, из которого будут создаваться новые экземпляры. Родную планету пускать под это дело не очень хочется, но ведь у нас над головой бесконечное количество материи.

Мы сможем отправиться куда угодно как минимум в нашей галактике. Банально уйти в гибернацию и исследовать другие миры. Или отправить с этой целью самих нанороботов во все интересные уголки космоса. Хотя бы на Марс — чтобы терраформировать его и обустроить к нашему прибытию. Да и энергия нам будет нужна, если мы хотим продвинуться по шкале Кардашева (метод измерения технологического развития цивилизации). Нанороботы сделают нас цивилизацией I типа, дав все ресурсы планеты, а затем и II типа — построим сферу Дайсона и получим энергию Солнца.

Источник

Как и зачем ученые создают нанороботов?

Нанороботы ― это слово часто можно услышать или прочитать в новостях науки. Их называют одними из самых перспективных инструментов для лечения тяжелых болезней. Но что это такое? ITMO.NEWS объясняет вместе с лауреатом программы ITMO Fellowship & Professorship Дианой Маркозашвили.

наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое

Иллюстрация: Дмитрий Лисовский, ITMO.NEWS

По пунктам:

Сейчас много говорят о нанороботах, а что это такое?

наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое

Чаще всего под нанороботами подразумевают структуры с программируемым поведением, которые могут точно взаимодействовать и манипулировать другими объектами. И всё это ― на уровне наноразмеров, то есть на атомном и молекулярном уровне. Размеры таких роботов могут варьировать от одной десятой нанометра до ста нанометров, в зависимости от их конечного устройства.

А микросхемы и манипуляторы у них есть?

наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое

В привычном нам понимании микросхем из полупроводников и манипуляторов, отлитых из металла, у них нет. Они состоят из молекул и атомов, причем их устройство может быть совершенно разным. Такие конструкции могут быть сделаны из органических соединений (белки, нуклеиновые кислоты), неорганических (соединения кремния, углерода, ферроматериалов) и их сочетаний.

Почему их тогда называют роботами?

наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое

Здесь следует внести уточнение: следует отличать наномашины от нанороботов. Отличие заключается в том, что, помимо сенсорной и двигательной части, робот должен иметь процессор как отдельную функциональную единицу. Иначе ― это машина. И следуя данной классификации, нанороботов пока еще не создали, хотя подвижки в эту сторону есть.

А что тогда такое наномашины?

наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое

Наномашины состоят из молекул и атомов, которые и являются аналогами моторов, манипуляторов и движущихся частей роботов из макромира. Например, наномашина, созданная самой природой ― жгутик бактерии: это настоящий автомат с микроскопическим «электродвигателем» и «ротором», приводящими жгутик во вращательное движение. Другой пример ― искусственно созданный биоинженерами из Америки шагающий молекулярный робот: он может ходить по ДНК и слушать команды «идти», «повернуть», «остановиться». То есть наномашины можно запрограммировать на определенное поведение. Например, в группе «Молекулярная робототехника и биосенсорные материалы» лаборатории SCAMT ученые делают наномашины из молекул ДНК. Их поведение программируется не машинным, а генетическим кодом.

Как можно запрограммировать наноробота или наномашину, если они состоят всего из нескольких молекул? И вообще как их делают?

наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое

Возьмем для примера наномашины на основе ДНК, которыми занимаются ученые SCAMT. Зная генетический код, они подбирают определенную нуклеотидную последовательность цепей и синтезируют короткие ДНК-цепочки. По законам образования химических связей и правилу комплементарности эти ДНК цепочки собираются в определенную структуру, которая может узнавать и связывать другие молекулы ДНК или РНК и разрезать их. То есть их проектируют так, чтобы они связывали именно нужные молекулы, а другие не трогали.

Говорят, с их помощью мы сможем лечить очень тяжелые болезни. Как именно?

наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое

Можно нацелить такую наномашину против патогена, вызвавшего болезнь. Или, если речь идет об эндогенных болезнях, которые возникают в организме без участия внешних патогенов, например, рак, то тут можно применять иной подход. У каждой болезни есть свой набор молекулярных маркеров, по которым ее можно распознать. И есть свои сломанные процессы: их можно починить или исправить. Если это невозможно, можно просто уничтожить сломанную клетку. Ученые придумали ДНК наномашин, которые одной своей частью распознают, что клетка больна, а другой бьют по жизненно важному внутриклеточному пути, в итоге уничтожая клетку. Таким образом, можно селективно избавляться от больных клеток, не трогая здоровые.

Если они такие эффективные, то почему их еще нет в каждой больнице?

наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое

Путь от идеи до финальной реализации, тем более на людях, крайне долгий. Во-первых, нужно отработать систему, убедиться, что она безукоризненно работает и уровень токсичности и побочных эффектов не критичен. Сначала новые разработки тестируют в пробирке ― in situ. Потом в клетках, которые живут в искусственных условиях ― это называется in vitro. Потом на модельных живых организмах, например, мышах ― это in vivo эксперименты. Все это является доклиническими исследованиями. Если все идет хорошо, то переходят к следующих этапам ― клиническим испытаниям на людях, тех, кто добровольно согласился испытать на себе новый препарат. В клинических испытаниях есть тоже несколько фаз. И только после успешного завершения всех исследований новый препарат может выйти в производство на рынок.

А скоро наномашины станут общепринятым методом диагностики и лечения?

наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое

Современная тенденция в мире изобретений ― это уменьшение размера и повышение эффективности. Поэтому и бионанотехнологии, объединяющие в себе инженерию и биохимию, завоевывают все большую популярность. Ведь одна наномашина сочетает в себе различный функционал, которым можно управлять, к тому же, ему доступны объекты на наноуровне, а это открывает новые возможности для диагностики и лечения заболеваний. Но в отличие от компьютерных технологий, что крайне быстро изменили нашу повседневную жизнь, у бионанотехнологий несколько более длинный путь выхода на рынок и в нашу повседневную жизнь. Но это лишь вопрос времени.

Источник

Нанороботы внутри нас

наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое

Встречаются наивные люди, утверждающие, что за миллиарды лет эволюции природа так и не изобрела колесо. Если бы они уменьшились до наноуровня и совершили путешествие внутрь живой клетки, то увидели бы не только колесо, но и электродвигатели, конвейеры, сборочные линии и даже шагающих роботов.

По подсчетам биологов, в живой клетке функционирует около сорока известных науке молекулярных машин. Они возят грузы по молекулярным «рельсам», выступают в качестве «включателей» и «выключателей» химических процессов. Машины из молекул производят энергию для поддержания жизни, сокращают наши мышцы и строят другие молекулярные машины. А еще они вдохновляют ученых на строительство рукотворных нанороботов, которые в будущем смогут жить и работать во внутриклеточном мире.

Чтобы представить себе, из чего и как ученые-гулливеры будут строить роботов-лилипутов, мы рассмотрели несколько наномашин, созданных самой природой.

Экспертное мнение

Александр Марков,
биолог, популяризатор науки, профессор МГУ:

В ходе эволюции очень легко возникают системы, выглядящие на первый взгляд «несократимо сложными». Они состоят из многих частей, которые приносят пользу только все вместе, убери одну — и вся система перестает работать, а каждая отдельная часть сама по себе вроде бы бесполезна. Это заставляет некоторых ученых поставить под сомнение теорию эволюции в целом. Но стоит начать разбираться, и выясняется, что эти системы на самом деле не являются «несократимо сложными». Удаление некоторых деталей не уничтожает молекулярную машину, а лишь снижает ее эффективность. Значит, в прошлом могла существовать машина без этой детали, а деталь присоединилась позже, что повысило эффективность работы. Но даже если удаление детали делает молекулярную машину нефункциональной, это может быть результатом долгой взаимной «притирки» деталей. Необходимо также помнить, что организму, не имеющему какой-то молекулярной машины, будет полезен даже очень простой, малоэффективный, едва работающий ее вариант.

Жгутик бактерии

наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое

Схема «электродвигателя» бактерии гораздо больше напоминает инженерный чертеж, чем изображение живого организма. Главная деталь «мотора» — белок Mot A с ионными каналами, благодаря которым поток протонов заставляет ротор вращаться, как турбина

Для передвижения в жидкой среде некоторые бактерии используют вращающийся жгутик, который приводится микроскопическим электродвигателем, собранным из нескольких белковых молекул. Раскручиваясь до 1000 об/мин, жгутик может толкать бактерию вперед с необыкновенно большой скоростью — 100–150 мкм/с. За секунду одноклеточное перемещается на расстояние, превосходящее его длину более чем в 50 раз. Если это перевести на привычные нам величины, то спортсмен-пловец ростом в 180 см должен был бы переплывать 50-метровый бассейн за полсекунды!

Метаболизм бактерии устроен таким образом, что положительные ионы водорода (протоны) накапливаются между внутренней и внешней мембранами ее клетки. Создается электрохимический потенциал, увлекающий протоны из межмембранного пространства в клетку. Этот поток протонов проходит через «двигатель», приводя его в движение.

Белковую структуру «мотора» называют комплексом Mot, который, в свою очередь, состоит из белков Mot A (статора) и Mot B (ротора). Ионные каналы в них расположены таким образом, что движение протонов заставляет ротор вращаться подобно турбине. Манипулируя структурой белка, некоторые бактерии умеют изменять направление и скорость движения, а иногда даже включать «задний ход».

Наличие вращающихся частей у живого организма поначалу казалось столь невероятным, что потребовало серьезных экспериментальных подтверждений. Таких подтверждений было получено несколько. Так, в лаборатории академика Скулачёва бактерию характерной формы (в виде полумесяца, где передняя часть бактерии была вогнутой, задняя — выпуклой) прикрепляли жгутиком к стеклу и наблюдали за ней в микроскоп. Было хорошо видно, как бактерия вращается, постоянно показывая наблюдателю лишь переднюю часть, свою «впалую грудь», и никогда не поворачиваясь «спиной».

АТФ-синтаза

Протонная АТФ-синтаза — самый маленький в живой природе биологический мотор шириной всего в 10 нм. С его помощью живые организмы вырабатывают аденозинтрифосфат (АТФ) — вещество, которое служит основным источником энергии в клетке.

АТФ состоит из аденозина (соединение хорошо знакомого нам по ДНК азотистого основания аденина и сахара рибозы) и трех последовательно подсоединенных к нему фосфатных групп. Химические связи между фосфатными группами очень сильные и содержат много энергии. Эта консервированная энергия может пригодиться для питания самых разнообразных биохимических реакций. Однако сперва необходимо определенным образом приложить энергию, чтобы упаковать аденозин и фосфатные группы в молекулу АТФ. Этим и занимается АТФ-синтаза.

Поступающие в организм жирные кислоты и глюкоза проходят многочисленные циклы, в процессе которых специальные ферменты дыхательной цепи откачивают положительные ионы водорода (протоны) в межмембранное пространство. Там протоны накапливаются, как войско перед битвой. Создается потенциал: электрический (положительные заряды снаружи митохондриальной мембраны, отрицательные внутри органеллы) и химический (возникает разница концентраций ионов водорода: внутри митохондрии их меньше, снаружи больше).

Известно, что электрический потенциал на мембране митохондрий, которая служит хорошим диэлектриком, достигает 200 мВ при толщине мембраны всего 10 нм.

Накопившись в межмембранном пространстве, протоны, подобно электрическому току, устремляются назад, в митохондрию. Они проходят по специальным каналам в АТФ-синтазе, которая встроена во внутреннюю сторону мембраны. Поток протонов раскручивает ротор, будто река водяную мельницу. Ротор вращается со скоростью 300 оборотов в секунду, что сопоставимо с максимальными оборотами двигателя болида «Формулы-1».

наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое

Как и в случае со жгутиками бактерий, движение ротора АТФ-синтазы было подтверждено экспериментально: прикрепив к вращающемуся участку помеченный флуоресцирующим красителем белок актин, похожий на длинную нить, ученые своими глазами увидели, что он вращается. И это несмотря на то, что соотношение размеров у них такое, как если бы человек размахивал двухкилометровой плетью

АТФ-синтазу по форме можно сравнить с грибом, «растущим» на внутренней стороне мембраны митохондрии, при этом описанный выше ротор прячется в «грибнице». «Ножка гриба» вращается вместе с ротором, и на ее конце (внутри «шляпки») закреплено некое подобие эксцентрика. Неподвижная «шляпка» условно делится на три дольки, каждая из которых деформируется, сжимается при прохождении эксцентрика.

К «долькам» прикрепляются молекулы аденозиндифосфата (АДФ, с двумя фосфатными группами) и остатки фосфорной кислоты. В момент сжатия АДФ и фосфат прижимаются друг к другу достаточно сильно, чтобы образовать химическую связь. За один оборот «эксцентрик» деформирует три «дольки», и образуется три молекулы АТФ. Помножив это на количество секунд в сутках и примерное количество АТФ-синтаз в организме, мы получим удивительную цифру: ежедневно в человеческом теле вырабатывается примерно 50 кг АТФ.

Все тонкости этого процесса необычайно сложны и многообразны. За их расшифровку, которая потребовала почти ста лет, были вручены две Нобелевские премии — в 1978 году Питеру Митчеллу и в 1997 году Джону Уокеру и Полю Бойеру.

Кинезин

Кинезин — это линейный молекулярный мотор, передвигающийся по клетке вдоль путепроводов — полимерных нитей. Будто портовый грузчик, он перетаскивает на себе всевозможные грузы (митохондрии, лизосомы), используя в качестве топлива молекулы АТФ.

Внешне кинезин похож на сплетенного из тонких веревок игрушечного «человечка»: он состоит из двух одинаковых полипептидных цепей, верхние концы которых сплетены и соединены вместе, а нижние расставлены в стороны и имеют на концах «ботинки» — глобулярные головки размером 7,5×4,5 нм. При движении эти головки на нижних концах поочередно отрываются от полимерной «тропинки», кинезин поворачивается на 180 градусов вокруг своей оси и переставляет одну из нижних «стоп» вперед. При этом если один его конец при движении тратит энергию (молекулу АТФ), то другой в это время высвобождает компонент для образования энергии, АДФ. В итоге получается непрерывный цикл подачи и траты энергии для полезной работы.

наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое

Кинезин, шагая по «тропинкам» из микротрубок, переносит различные грузы в клетке

Как показали исследования, кинезин способен довольно бодро вышагивать по клетке своими «веревочными» ножками: делая шаг длиной всего 8 нм, за секунду он перемещается на гигантское по клеточным меркам расстояние в 800 нм, то есть делает 100 шагов в секунду. Попробуйте представить себе такие скорости в человеческом мире!

Искусственные наномашины

Человеком, который подтолкнул научный мир к созданию нанороботов на основе биологических молекулярных устройств, стал выдающийся ученый-физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Его лекцию 1959 года с символичным названием «Там внизу еще много места» биоинженеры всего мира считают отправной точкой в этом нелегком деле.

Прорыв, позволивший перейти от теории к практике, случился в начале 1990-х годов. Тогда английские ученые из Университета Шеффилда, Фрэйзер Стоддарт и Нил Спенсер, и их итальянский коллега Пьер Анелли сделали первый молекулярный челнок — синтетическое устройство, в котором происходит пространственное перемещение молекул. Для его создания используют ротаксан — искусственное вещество, в котором кольцевая молекула (кольцо) нанизана на линейную молекулу (ось). Отсюда и название вещества: лат. rota — колесо и axis — ось. Ось в ротаксане имеет форму гантели, чтобы с помощью объемных групп на концах не позволять кольцу соскальзывать со стержня.

Челнок на основе ротаксана перемещает кольцевую молекулу вдоль линейной, на которой она держится, с помощью протонов (ослабляя или увеличивая водородные связи, удерживающие по центру кольцевую молекулу) и броуновского движения, толкающего вперед кольцо. Это похоже на брошенный в ручей резиновый мячик, привязанный к веревке: ослабили веревку (водородные связи) и стремительный ручей (броуновское движение) подхватит мяч и увлечет его вперед. Натянули веревку — мяч возвратится назад.

В 2010 году группа американских биоинженеров, Милан Стоянович и его коллеги, создали молекулярного наноробота, способного перемещаться по ДНК. В ходе эксперимента ученые смогли проследить, как их наноробот смог самостоятельно сделать 50 шагов и передвинуться на 100 нм. Робот, внешне напоминающий паука, может автономно выполнять несколько команд: «идти», «повернуть», «остановиться». По мнению авторов, он очень востребован в медицине в качестве доставщика лекарств в клетку.

наноботы что это такое. Смотреть фото наноботы что это такое. Смотреть картинку наноботы что это такое. Картинка про наноботы что это такое. Фото наноботы что это такое

«Наномашина» — это «четырехколесная» молекула, созданная в 2005 году группой под руководством профессора Джеймса Тура (Университет Райса). Собственного мотора у нее нет, однако при нагревании поверхности до порядка 200°C фуллереновые колеса начинают вращаться, и машинка катится

В 2013 году английские и шотландские биоинженеры под руководством Дэвида Лея смогли создать первый в мире молекулярный наноконвейер: наномашину, способную собирать пептиды, короткие белки. В природе эту задачу выполняют рибосомы — органеллы, находящиеся в наших клетках. Биоинженеры взяли за основу для своей машины молекулу ротаксана и на ее «стержне» смогли собрать из отдельных аминокислот белок заданного свойства. Правда, в соревновании с природной сборкой белков в рибосоме искусственная молекулярная машина пока проигрывает: ей понадобилось 12 часов на присоединение каждого аминокислотного остатка, в то время как рибосомы справляются с этой задачей быстрее чем за секунду.

Несмотря на это, исследователи с оптимизмом рассматривают свою разработку. «Вы получаете машину, которая точно движется, поднимает молекулярные строительные блоки и ставит их вместе. Если природа делает это, почему не можем мы?» — отметил профессор Лей.

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *