Учёные из ФИАН, ИХФ РАН, МГУ им. М.В. Ломоносова и французского университета Париж-Юг нашли нового кандидата для создания искусственных молекулярных машин. Им оказалась складчатая полимерная глобула, экспериментально обнаруженная лишь около пяти лет назад.
О теоретических работах российских физиков, предсказавших новую конформацию макромолекул (складчатая глобула) и американских экспериментальных работах, обнаруживших эту структуру в человеческой ДНК, ФИАН-Информ уже подробно писал раньше. Незамкнутая полимерная цепь обычно находится либо в состоянии клубка (за этим термином скрывается нечто напоминающее в беспорядке распущенный клубок ниток), либо в более компактной, сильно запутанной и заузленной конфигурации глобулы. Переход между этими двумя состояниями полимер испытывает, например, при изменении качества своего растворителя (оно провоцируется изменениями температуры, pH и пр.).
Однако в полном соответствии с предсказаниями замкнутые полимерные молекулы ДНК образуют несколько другую конфигурацию – частично упорядоченную складчатую глобулу. Она представляет собой иерархическую структуру, в которой достаточно протяженные участки макромолекулы сворачиваются в незаузленные складки, которые, в свою очередь, образуют складки большего масштаба, и так далее. Такое строение ДНК помогает различным её участкам независимо высвобождаться из глобулы, например, при репликации.
(b) складчатая фрактальная глобула
(c) Иерархическая структура складчатой глобулы
Определяющими для формирования складчатой глобулы считаются два фактора: замкнутость изначальной полимерной цепочки и её незаузленность. Сергей Нечаев, ведущий научный сотрудник сектора математической физики ФИАН и один из авторов работы о молекулярных моторах, рассказывает, как выполнить эти требования для синтетических полимеров.
«Возьмем полимерный раствор в хорошем растворителе при низкой концентрации, представляющий собой редкие цепи на достаточно большом расстоянии друг от друга. В таком состоянии мы зашиваем полимер – добавляем в раствор реагент, который в некоторых редких местах соединяет эти цепи. А после этого убираем растворитель. Высушиваем сетку или делаем растворитель плохим. Так мы индуцируем коллапс, переход полимера в глобулярное состояние. Только изначально наши цепочки практически не были перепутаны, а потому есть основание полагать, что субцепи полученной сетки будут находиться в состоянии складчатой глобулы. Такой гипотетический эксперимент мы предложили с А.Ю. Гросбергом еще в 1989 году. Отчасти он был воспроизведен в работах японских авторов в 1997 году, но эти работы не получили продолжения, что, возможно было связано как с техническими сложностями, так и с отсутствием идей по возможному усилению наблюдаемого эффекта и его использованию в других областях.»
Похожие структуры, по предсказаниям специалистов из ФИАН, ИХФ РАН и МГУ им. Ломоносова и могут служить молекулярными машинами – наноразмерными объектами, способными превращать энергию беспорядочных тепловых колебаний в направленное вращательное или поступательное движение. Одним из ярких примеров таких структур является белок миозин, ключевой компонент сократительных волокон мышц. Он расщепляет химические связи АТФ (Аденозинтрифосфат, основной переносчик и хранитель энергии в различных клеточных процессах ) и за счёт особенностей своего строения переводит эту энергию в деформацию изгиба.
«Александр Михайлов, который сейчас работает в берлинском институте Фрица Харбера в Берлине, детально обследовал эластическую сеть миозина и показал, что в спектре его лапласиана имеется щель, которая отделяет наименьшее собственное значение от всех остальных. Наличие этой щели в спектре означает, что есть выделенная медленная мода – в фазовом пространстве есть низкоразмерное подпространство, вдоль которого преимущественно происходит движение всей структуры. В.А. Аветисову, заведующему Лаборатории теории сложных систем ИХФ РАН, пришла в голову идея, что аналогичное исследование можно провести для эластической сети складчатой глобулы. Мы это сделали и обнаружили, что она обладает точно таким же свойством, а, значит, есть потенциальная возможность делать синтетические молекулярные машины из складчатых глобул. Молекулярные двигатели можно, например, хаотически возбудить тепловым излучением или звуком и получить энергию направленного движения.» – Сергей Нечаев
Такие результаты позволяют не только мечтать о создании молекулярных машин для манипулирования молекулами (они, например, могут быть полезны для точечного лечения различных заболеваний), но, и кто знает, может быть, немного приблизиться к разгадке возникновения живой материи. Ведь в биологии даже самая примитивная клетка с минимальной системой репликации кажется слишком сложной, для того чтобы спонтанно образоваться из неживой материи, а новое исследование российских учёных показывает, что нет ничего невозможного. Во всяком случае, даже синтетические полимеры при определённых условиях могут спонтанно приобретать свойства молекулярных моторов, которые являются обними из ключевых структур для функционирования клетки.
Впрочем, рассуждать о столь глобальных задачах и проблемах, наверное, ещё пока рано. Ведь сегодня российские специалисты пытаются экспериментально подтвердить свои выводы и обойти некоторые практически ограничения, которые неизбежно возникают на пути любой научной задачи.
«Складчатая глобула начинает проявляться только в случае очень длинных цепей. Именно поэтому её впервые увидели на ДНК. А синтетические полимеры обычно гораздо короче ДНК и что приводит к определенным проблемам. Например, сейчас мы думаем, как во время сборки иерархической структуры, т.е. во время коллапса, можно еще дополнительно «подшить» макромолекулу и стабилизировать её складчатую структуру» – Сергей Нечаев.
М. Петров, АНИ «ФИАН-информ»
