Дорогие читатели, Нашему шестнадцатилетнему, волонтёрскому и некоммерческому проекту для создания новой, современной версии N-N-N.ru, очень нужно посоветоваться касательно платформы нашего сайта – SYMFONY & DRUPAL 8. Платформа не простая, но обещаем – мы не займём много времени, просто нужна консультационная поддержка квалифицированного разраба. Если вы можете помочь, то связаться с нами можно на страницах Facebook.com здесь и здесь.

ДНК помогла управлять роем молекулярных моторов из микротрубочек

Химики научились управлять роем из молекулярных моторов с помощью молекул ДНК. Оказалось, что с помощью ДНК-линкеров нескольких типов можно заставить микротрубочки формироваться в группы, разъединяться обратно или вызывать их совместное поступательное и вращательное движение, сообщают ученые в Nature Communications.

Рой роботов обычно представляет из себя набор одинаковых относительно простых в конструкции механизмов, коллективное поведение которых определяется роевым интеллектом и основано только на взаимодействии между собой и с окружающей средой без центра управления, раздающего команды каждому в отдельности. Обычно перед роем роботов ставят задачу принять ту или иную форму или совершать заданные движения.

Подобные же задачи встают и при переходе на молекулярный уровень. Известно, что роевое поведение может быть характерно для некоторых биологических систем, в частности биомолекулярных моторов или элементов цитоскелета. Самые маленькие на сегодняшний день молекулярные роботы, способные к коллективной работе, это микротрубочки — собранные из тубулина полые цилиндры диаметром примерно 25 нанометров и длиной от 2 до 20 микрометров. Их коллективное поведение основано на работе соединительных элементов, которые обеспечивают взаимную организацию на достаточно больших расстояниях, во много раз превосходящих размер отдельных элементов.

Группа японских и американских химиков под руководством Акиры Какуго (Akira Kakugo) из Университета Хоккайдо нашла способ управления движением отдельных элементов и их коллективным поведением в аналогичной искусственной системе, состоящей из большого количества молекулярных моторчиков, роль которых выполняли как раз микротрубочки. Чтобы можно было контролировать их поведение, ученые пришили к ним небольшие участки ДНК. Для визуализации к ДНК также пришивались несколько различных флуоресцентных красителей, по которым разные микротрубочки можно было отличать друг от друга.

Схема системы: модифицированные ДНК микротрубочки с красителями двух типов на стеклянной подложке, покрытой молекулами кинезина. J. J. Keya et al./ Nature Communications, 2018

Схема объединения и разъединения двух микротрубочек с помощью ДНК. J. J. Keya et al./ Nature Communications, 2018

Модифицированные микротрубочки были помещены на стеклянную подложку, покрытую небольшими молекулами кинезина, которые заставляют молекулярные моторы перемещаться, двигаясь вдоль них за счет энергии АТФ. Для объединения в группы авторы работы использовали два типа микротрубочек: длинные и гибкие (длиной от 15 до 20 микрометров) или короткие и жесткие (длиной около 5 микрометров). Формирование таких роев происходило с помощью соединительных элементов, тоже представляющих собой небольшие участки одноцепочечных молекул ДНК. Добавляя один тип ДНК (комплементарный тем участкам, которые пришиты к микротрубочкам), можно соединять микротрубочки между собой, а с помощью ДНК другого типа (связывающей линкеры первого типа) — наоборот, разъединять их. Оба процесса занимают от нескольких десятков минут до часа.

Образование вращающегося роя молекулярных моторов из микротрубочек. Длина масштабной линейки — 20 микрометров. J. J. Keya et al./ Nature Communications, 2018

Постепенный распад роя молекулярных моторов из микротрубочек. Длина масштабной линейки — 20 микрометров. J. J. Keya et al./ Nature Communications, 2018

В присутствии молекул АТФ отдельные микротрубочки просто совершают беспорядочные движения независимо друг от друга, но если объединить их в группу, совместные движения приобретают более упорядоченный характер. Так, если собирать в рой короткие микротрубочки, то они образуют линейные структуры, которые совершают совместное поступательное движение. Длинные же микротрубочки, в свою очередь, образуют циклические структуры, которые начинают вращаться. При этом скорость движения после объединения в рой близка к скорости отдельных микротрубочек (примерно 0,6 микрометров в секунду для отдельных микротрубочек и 0,5 микрон в секунду — для роя).

Коллективное вращательное движение роя длинных гибких микротрубочек. Длина масштабной линейки — 20 микрометров. J. J. Keya et al./ Nature Communications, 2018

Коллективное поступательное движение роя коротких жестких микротрубочек. Длина масштабной линейки — 20 микрометров. J. J. Keya et al./ Nature Communications, 2018

Одновременное поступательное и вращательное движение микротрубочек разного типа. Длина масштабной линейки — 20 микрометров. J. J. Keya et al./ Nature Communications, 2018

Кроме того, с использованием фоточувствительных азобензольных групп на молекулах ДНК можно переключать систему с коллективного роевого поведения на одиночное поведение с помощью света, и тогда каждый молекулярный мотор начинает действовать независимо от других.

По словам авторов работы, результаты работы будут полезны как для фундаментального понимания принципов работы и возможного управления коллективной работой систем молекулярных моторов, так и для развития ДНК-нанотехнологий и создания систем кодирования информации на молекулярном уровне.

Использовать облучение светом для управления роевым поведением роботов можно не только на молекулярном уровне, но и для небольших традиционных роботов, управляемых вибромоторами. Так, рой роботов Kilobots с помощью единственного источника света можно заставить разбегаться в разные стороны, образуя на плоскости фигуры заданной формы.

Автор: Александр Дубов

Пожалуйста, оцените статью:
Пока нет голосов
Источник(и):

nplus1.ru