Молекулярные «грузовики» для мозгов и роботов

Принцип действия молекулярного мотора. Рисунок Вячеслава Полежаева

Чаще всего, когда мы представляем себе работу человеческого мозга, мы можем думать об электрических импульсах или нейронах. Но, пожалуй, одной мысли нам никак не избежать – мозг подобен огромному и сложному предприятию, на котором ежесекундно совершаются сотни тысяч процессов. Предприятие это поражает своими масштабами: в секунду в мозгу происходит около 100 тыс. химических процессов, мозг человека насчитывает до 100 млрд нейронов.

Нейрон – электрически возбудимая клетка, которая обрабатывает, хранит и передает информацию с помощью электрических и химических сигналов. Нейроны формируют структуры мозга, такие как кора больших полушарий, мозжечок, продолговатый мозг. Можно сказать, что структуры мозга представляют собой высокоорганизованные колонии нейронов, которые «общаются» между собой. Внутри колоний нейроны также «общаются» между собой, а посредством разветвленной сети отростков – аксонов – нейроны связаны с органами чувств, мышечными клетками и т.д.

Как «общаются» нейроны? Это происходит посредством синапсов. Синапс – это область контакта для передачи нервного импульса между двумя клетками, как между двумя нейронами, так и между нейроном и клеткой-мишенью. Передача импульсов осуществляется электрическим или химическим путем с помощью особых веществ – нейромедиаторов: возбудившийся нейрон как бы «выплескивает» нейромедиатор в синаптическую щель и воздействует на рецепторы, расположенные в мембране «атакуемого» нейрона.

Тут возникает вопрос: а каким образом нейрон доставляет нейромедиатор от места образования к синаптической щели, а потом еще и «выплескивает» его? Ведь нейрон – не резиновая груша, а нервная клетка! Оказывается, для этого «на службе» у нейрона состоит специальный транспорт – как и на обычном большом предприятии, взаимодействие между частями которого может происходить с помощью, например, грузовых автомобилей. В случае нейронов «грузовики» – это шагающие молекулярные моторы, белковые комплексы, части которых способны двигаться друг относительно друга.

Молекулярные моторы лежат в основе любых активных движений, совершаемых живыми организмами, начиная от движения хромосом при клеточном делении и заканчивая мышечными сокращениями. Кругооборот нейромедиаторов и молекул-отходов при синаптической связи осуществляют шагающие молекулярные моторы трех семейств: кинезин, миозин V и динеин.

Кроме нейромедиаторов шагающие моторчики доставляют от ядра клетки к ее периферии митохондрии, в мембранах которых вырабатываются молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). АТФ – универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах. В том числе он выступает в качестве топлива для кинезина и других молекулярных моторов-переносчиков.

Ученые кафедры высшей математики Национального исследовательского ядерного университета МИФИ и физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова на основе анализа работы шагающих молекулярных моторов (кинезин, миозин V, динеин) построили и исследовали математические модели их функционирования.

«Модели представляют собой систему двух связанных уравнений, – рассказывает доцент кафедры высшей математики НИЯУ МИФИ Владимир Трифоненков. – Параметры моделей определяются из функциональных схем моторов, построенных на основе экспериментов с применением рентгеноструктурного анализа, криогенной электронной микроскопии, лазерных пинцетов и скоростных методов видеомикроскопии с использованием «точечных» меток (Q-DOT)».

Результаты работы ученых в этом году опубликованы в журнале «Успехи физических наук». По словам Трифоненкова, значение их работы в большей степени «теоретическое и мировоззренческое». В то же время подобные исследования могут найти практическое применение в медицине. «Некоторые заболевания и действие отравляющих веществ связаны именно с нарушением внутринейронного транспорта», – поясняет ученый.

В исследованиях биологических молекулярных моторов заинтересованы и специалисты по наноробототехнике. Одно из направлений их работы – создание нанороботов, способных передвигаться внутри человеческого тела, – также связано с медициной. Чтобы привести такого медицинского наноробота в движение, необходим мощный наномотор.

Остается добавить, что биологические молекулярные моторы имеют достаточно хорошие с технической точки зрения характеристики (соотношение размера, массы, генерируемого механического момента и потребляемой энергии) и при массовом производстве – а современные методы генной инженерии и биотехнологии это позволяют – могут оказаться дешевле своих искусственных аналогов.