Биологический электропривод. Биоинформатика

1. БИОЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

В течение последних 10 - 15 лет был раскрыт механизм, с помощью которого одноклеточные бактерии перемещаются в среде обитания [1, 2]. Оказалось, что перемещение осуществляется движителем, напоминающим винт или весло, который приводится во вращение электрическим двигателем. Двигатель создает момент 40 пН∙нм = 4∙10^-20Н∙м, частота вращения (10² с^-1, соответственно мощность - 4∙10^-18 Вт. Объем двигателя имеет порядок 10^-24 м³. Отсюда следует, что удельная (на единицу объема) мощность имеет порядок 1 МВт/м³. Для сравнения удельная на единицу объема мощность современных электрических машин имеет порядок 10 кВт/ м³, т.е. в 100 раз меньший. Удельные на единицу массы мощности - 1 кВт/кг двигателя бактерии и 1 Вт/кг современной электрической машины, т.е. в 1000 раз меньше. КПД электродвигателя бактерии практически 100%.

Очевидны преимущества, которые даст привод с такими характеристиками для макрообъектов.

Принцип электромеханического преобразования энергии представлен на рис.1.

«Биологический электропривод» содержит мембрану с каналами, диаметры которых равны или несколько больше диаметра иона. На внешней и внутренней (по отношению к клетке, которую охватывает мембрана) поверхностях мембраны сосредоточены ионы калия, натрия, водорода, хлора в разной концентрации, так что имеет место разность потенциалов U. Эта мембрана является «статором» привода. «Ротором» является белковая молекула, выступы которой расположены в каналах.

Под действием разности потенциалов ионы без трения перемещаются по каналам, взаимодействуя с выступами «ротора», т.е. давят на него с силой F. Под действием этой силы выступ перемещается со скоростью v. Так происходит преобразование энергии электрического потенциала U в механическую энергию Fvt.

В молекуле - микробе с «ротором» связаны жгутики, выполняющие функции винта, с помощью которого микроб перемещается в жидкой среде. Посредством каналов, способных замыкать накоротко поверхности мембраны, организм микроба управляет разностью потенциалов и тем самым управляет его движением.

Обращают внимание две особенности описанного электромеханического преобразования:

) оно происходит без участия магнитного поля (в отличие от подавляющего большинства «человеческих» электрических машин);

) преобразование происходит без диссипации энергии - ионы движутся по каналам без трения и взаимодействуют только с элементами «ротора», - так что КПД преобразования практически 100%.

Ценность такого (с высоким КПД, без меди и стали) привода для макрообъектов несомненна, хотя в настоящее время отсутствуют идеи реализации указанных особенностей в макроскопических размерах. Тем не менее, представляется целесообразным анализ характеристик электропривода, устроенного на описанном принципе. Цель настоящей работы - оценить возможные характеристики биологического электропривода.

2 ДВИЖЕНИЕ БАКТЕРИЙ

Движение бактерий - одно из самых поразительных явлений природы. Его исследование нанесло сокрушительный удар по нашему высокомерному снобизму вроде того, что биологическая эволюция, имея в своем распоряжении миллиарды лет, так и не смогла изобрести колесо, пока не появился человек. Выяснилось, что бактерии, древнейшие и наиболее просто устроенные живые клетки, изобрели для своего движения устройство, куда более сложное, чем колесо, а именно ротор, вращающийся под действием электрического поля. По существу речь идет об электродвигателе субмикронного размера, собранном из нескольких белковых молекул.

Давно известно, что многие виды бактерий способны плыть сквозь толщу воды. Скорость такого движения может достигать 150 микрон в секунду, то есть за одну секунду бактерия покрывает расстояние, примерно в сто раз превышающее ее длину. Первоначально движение бактерий пытались объяснить в рамках общепринятой парадигмы, предполагающей, что совершение всех видов механической работы живыми существами происходит за счет энергии гидролиза <#"650071.files/image002.gif">и АТФ). В этих условиях, когда ни дыхание, ни гидролиз АТФ не могли , единственным источником энергии оказывался искусственно созданный градиент ионов К⁺ между бактерией и средой. Выход К⁺ из бактерии генерировал на бактериальной мембране разность электрических потенциалов "правильного" направления (внутри клеток знак "минус"). Оказалось, что этот градиент способен поддерживать движение бактерий в течение нескольких минут, необходимых для выравнивания концентраций К⁺ внутри и снаружи клетки. Именно таким должен был бы быть ответ бактерии, если принять, что жгутик вращается за счет переноса ионов Н⁺ из среды внутрь клетки: выход К⁺ создавал поле, благоприятное для переноса ионов Н⁺ в направлении снаружи внутрь через вращающий жгутик "мотор".

Рис.2. Структура базального двигателя.

Но если наше предположение верно, то бактерии, отравленные цианидом и олигомицином, можно привести в движение и совсем иным способом - просто подкислив среду. В этом случае ионы Н⁺ также имели бы тенденцию перемещаться из среды в клетку, хотя никакого электрического поля подкисление среды само по себе создать не может. Опыт подтвердил и эту гипотезу. Добавление небольшого количества соляной кислоты к клеткам, обездвиженным цианидом и олигомицином, вызывало движение, исчезавшее по мере выравнивания концентраций ионов Н⁺ по ту и другую сторону бактериальной мембраны. Ни градиент К⁺, ни градиент кислотности не вызывали подвижности, если бактерии были обработаны веществом, повышавшим проводимость мембраны для ионов Н⁺. В этом случае ионы Н⁺ поступали в клетку, минуя "мотор".

В результате этих опытов мы сформулировали вывод о том, что вращение бактериального жгутика поддерживается непосредственно , без участия АТФ.

Устройство, вращающее бактериальную флагеллу, мы назвали протонным мотором. Впоследствии в нашей и одной из японских лабораторий было показано, что некоторые морские бактерии используют "натриевый мотор", где источником энергии движения служит разность электрохимических потенциалов ионов натрия (). У морского вибриона Vibrio alginolyticus<#"650071.files/image006.jpg">

Рис. 4. Схема опыта, доказывающего, что при работе бактериального мотора жгутик претерпевает вращение вокруг своей собственной оси

Дыхание создает (или ) за счет откачки ионов H⁺ или Na⁺ из бактериальной клетки во внешнюю среду. Соответственно вращение жгутика обеспечивается обратным потоком ионов H⁺ или Na⁺ из среды в клетку. Возвращаясь назад, ионы H⁺ (Na⁺) движутся "под гору", то есть в сторону их меньшей концентрации и от плюса к минусу. Такой процесс привел бы только к увеличению энтропии и образованию тепла, если бы не участие каких-то структур мотора. Эти структуры превращают часть потенциальной энергии или в механическую работу по вращению жгутика и как следствие - перемещению бактериальной клетки в пространстве. Вращение предполагает наличие ротора и статора, а перенос ионов H⁺ и Na⁺ - ионных каналов или переносчиков этих ионов.

Проблема переноса была решена, когда удалось получить в достаточном количестве так называемые белки Mot (от motor). Именно они образуют белковые комплексы, окружающие диск М. Как оказалось, белки Mot способны к транспорту ионов Н⁺ в случае Н⁺-мотора или же ионов Na⁺ в случае Na⁺-мотора.

Сложнее обстоит дело с ротором и статором. Очевидно, что жгутик есть вращающийся элемент системы. Остается открытым вопрос, вращается ли что-либо еще, то есть какие-то компоненты базального тела, или все они детали статора. Долгое время ротором считался диск М, поскольку это единственная деталь мотора, находящаяся во внутренней бактериальной мембране, несущей и . Однако недавно было показано, что перенос определенных веществ (в частности, витамина В12) через внешнюю мембрану бактерии осуществляется за счет энергии на внутренней мембране. В процессе участвует белок TonB, протянутый сквозь всю периплазму от одной мембраны к другой. Этот прецедент натолкнул нас на мысль (см. рис. 2), что, может быть, один из белков Mot выполняет ту же функцию, используя для вращения жгутика или какого-то из дисков, локализованных в периплазме либо во внешней мембране (один из белков Mot действительно сильно выдается в периплазму). Тогда мы можем избежать предположения о роторной функции диска М, что неизбежно должно было бы создавать для клетки большие проблемы. Вращение диска М (плоский цилиндр диаметра около 10 нм) в мембране, несущей очень большую напряженность электрического поля (около 200 кВ на см), должен был бы резко увеличить вероятность электрического пробоя этой мембраны. Вот почему мы склонны отнести диск М к статору, а вращение объяснить ритмичными движениями в периплазме одного из белков Mot, заставляющими вращаться какой-то из дисков в периплазме или внешней мембране. Движения белка Mot, в свою очередь, должны вызываться переносом ионов H⁺ (Na⁺). В целом такую систему можно было бы уподобить велосипеду, где поступательное движение ног велосипедиста приводит к вращательному движению колес.

Однако следует подчеркнуть, что изложенная гипотеза не более чем одно из возможных объяснений устройства бактериального мотора. В целом ситуация весьма далека от ясности, и самые разные предположения имеют право на существование. Формулируя такие предположения, следует учитывать некоторые уже измеренные параметры мотора.

. Скорость вращения обычно колеблется между 5 и 50 оборотами в секунду.

. Для одного оборота жгутика необходимо пронести в клетку несколько сотен ионов H⁺ (Na⁺).

. Вращение может вызываться любой из составляющих (), то есть электрическим полем или разностью концентраций ионов Н⁺ (Na⁺).

. Существуют два пороговых значения(). Ниже первого порога вращения не происходит. Между первым и вторым порогами скорость вращения есть линейная функция (). Выше второго порога дальнейшее увеличение () уже не приводит к ускорению движения.

. Мотор снабжен переключателем направления вращения, так что бактерия может плыть как жгутиком вперед, так и жгутиком назад при одном и том же направлении (). Это последнее обстоятельство служит ключом к пониманию биологической функции движения бактерий.

4. ЗАЧЕМ БАКТЕРИЯМ ДВИГАТЬСЯ

Движение бактерий позволяет им выбрать оптимальные условия существования. Несмотря на малый размер, бактерии располагают множеством датчиков, регистрирующих параметры внешней и внутренней среды. Они измеряют температуру среды, освещенность, рН снаружи и внутри клетки, концентрации многих метаболитов, а к изменениям вязкости среды бактерии чувствительнее, чем все известные в технике вискозиметры. Датчики - особые белки-рецепторы, локализованные, как правило, во внутренней бактериальной мембране. С рецепторов сигнал передается на особые белки, имеющиеся в цитозоле. Эти последние взаимодействуют с каким-то из белков базального тела, ответственным за переключение направления вращения мотора.

Сигналы могут быть двух родов. Одни вызывают переключение, другие запрещают его. Если бактерия плывет в благоприятном направлении (например, в сторону увеличения концентрации глюкозы), то рецептор глюкозы связывает этот сахар и посылает сигнал, запрещающий изменение направления движения. Если же концентрация глюкозы падает, то рецептор теряет глюкозу и посылает противоположный сигнал. В результате бактерия меняет направление движения и получает шанс попасть в более благоприятные для нее условия.

Существует сложная система обработки и интерпретации сигналов, между которыми устанавливается жесткая иерархия. В целом этот механизм позволяет бактерии неплохо ориентироваться в среде обитания. Поэтому когда наблюдаешь за движением бактерий под микроскопом, создается впечатление, что каждая из них куда-то спешит по каким-то только ей известным делам. Совсем иначе выглядит поле зрения микроскопа с так называемыми тенями бактерий. "Тени" - это как бы выпотрошенные клетки, из которых удален цитозоль со всеми белками, в том числе и с теми, которые передают сигналы рецепторов. В то же время мембраны "теней" по-прежнему целы, так как способны самозалечиваться после механических повреждений. Создав можно привести "тени" в движение. Но это движение всегда в каком-то одном направлении. Сигналы не поступают на мотор, и жгутик вращается в одну и ту же сторону. Под микроскопом вместо кипения жизни вы видите зрелище, достойное фильма ужасов, где покойники встают из своих гробов. "Тени" плывут по прямой, чтобы остановиться, когда снизится и уйдет под пороговую величину.

. ГДЕ ЕЩЕ В БИОЛОГИИ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ МОТОРЫ

биологический электропривод бактерия мышца

Моторы, питаемые, используются не только у бактерий, снабженных жгутиками. На том же принципе устроен механизм скольжения многоклеточных цианобактерий по твердой поверхности. Цианобактерии лишены жгутиков, и, тем не менее, их движение поддерживается энергией . По-видимому, их моторы вращают белковые тяжи, спрятанные в периплазме.

Так же, вероятно, вращаются хлоропласты в клетках некоторых эукариотических водорослей. Но, пожалуй, самый экстравагантный пример движения за можно найти у простейших, живущих в кишечнике термита. Эти одноклеточные эукариоты вступили в симбиоз с подвижными бактериями. В результате сотни бактерий прикрепились снаружи к оболочке простейшего. Вращение их жгутиков приводит в движение клетку-хозяина, причем этот хозяин каким-то неизвестным образом может синхронизировать и регулировать направление вращения бактериальных жгутиков.

Движение бактерий обусловлено вращением их жгутиков, осуществляемым за счет работы устройства, представляющего собой миниатюрный электродвигатель. Этот электродвигатель локализован в так называемом базальном теле <#"650071.files/image008.jpg">

Рис.6-Мышцы сгибатели и разгебатели

Согласованная деятельность мышц-сгибателей и мышц-разгибателей возможна благодаря чередованию процессов возбуждения и торможения в спинном мозге. Например, сокращение мышц-сгибателей руки вызвано возбуждением двигательных нейронов спинного мозга. Одновременно расслабляются мышцы-разгибатели. Это связано с торможением двигательных нейронов.

Мышцы-сгибатели и разгибатели сустава могут одновременно находиться в расслабленном состоянии. Так, мышцы свободно висящей вдоль тела руки находятся в состоянии расслабления. При удержании гири или гантели в горизонтально вытянутой руке наблюдается одновременное сокращение мышц-сгибателей и разгибателей сустава.

Сокращаясь, мышца действует на кость как на рычаг и производит механическую работу. Любое мышечное сокращение связано с расходом энергии. Источниками этой энергии служат распад и окисление органических веществ (углеводов, жиров, нуклеиновых кислот). Органические вещества в мышечных волокнах подвергаются химическим превращениям, в которых участвует кислород. В результате образуются продукты расщепления, главным образом углекислый газ и вода, и освобождается энергия.

Рис.7-Работа мышц

Протекающая через мышцы кровь постоянно снабжает их питательными веществами и кислородом и уносит из них углекислый газ и другие продукты распада.

Работоспособность мышц зависит и от величины нагрузки: чем больше нагрузка, тем скорее развивается утомление.

. ИСКУССТВЕННЫЕ МЫШЦЫ РОБОТА, СИЛЬНЕЕ МЫШЦ ЧЕЛОВЕКА

Ученые Оклендского Биоинженерного института, разработали искусственные мышцы, наделив андроидов мышцами, вполне подобными человеческим. Эти, искусственные мышцы эластичны, подвижны и превосходят по силовым характеристикам мышцы человека.

Под действием электротока они могут сокращаться на 300%, развивая значительные усилия. Мышцы состоят из двух слоев электропроводного углеродного "желе", разделенных очень эластичной изоляционной полимерной пленкой. При подаче на них напряжения, разноименные полюса устройства притягиваются, и мышца сокращается, а после снятия напряжения она "расслабляется", возвращаясь в исходное положение.

Ученые считают, что смогут получить совершенно иной класс роботов. По мнению британского специалиста, новые роботы будут мягкими, ловкими и подвижными, как живые существа, а также смогут имитировать вполне человеческую мимику лица. Таким образом, общество скоро получит роботов, ничем не отличающихся от человека!

Эксперты считают, что еще одной областью применения искусственных мышц может стать создание принципиально новых хирургических инструментов. Гибкие и подвижные устройства смогут проникать к нужному месту человеческого организма через естественные отверстия тела, сделав ненужными разрезы наружных покровов и послеоперационные швы.

Работу мышц делят на динамическую и статическую Динамическая выполняется при перемещении груза. При динамической работе изменяется длина мышцы и ее напряжение. Следовательно мышца работает в ауксотоническом режиме. При статической работе перемещения груза не происходит, т.е. мышца работает в изометрическом режиме. Динамическая работа равна произведению веса груза на высоту его подъема или величину укорочения мышцы (А = Р * h). Работа измеряется в кГ.М, джоулях. Зависимость величины работы от нагрузки подчиняется закону средних нагрузок. При увеличении нагрузки работа мышц первоначально растет. При средних нагрузках она становится максимальной. Если увеличение нагрузки продолжается, то работа снижается (рис.). Такое же влияние на величину работы оказывает ее ритм. Максимальная работа мышцы осуществляется при среднем ритме. Особое значение в расчете величины рабочей нагрузки имеет определение мощности мышцы. Это работа выполняемая в единицу времени (Р = А * Т). Вт

. ИСКУССТВЕННЫЕ МЫШЦЫ НА ОСНОВЕ НАНОТРУБОК

Углеродные нанотрубки сегодня рассматриваются учеными и исследователями в качестве основы для электроники нового поколения, в разы более скоростной, нежели современная кремниевая. Этому поспособствуют уникальные свойства подобных наноструктур. Однако углеродные нанотрубки обладают еще и уникальными физико-механическими свойствами, что позволяет создавать на их основе прочнейшие соединения, которые к тому же являются и чрезвычайно легкими.

Рис.8.-Нанотрубки

Одно из интереснейших применений прочности и легкости нанотрубок может стать изготовление на их основе искусственных мышц. В этом случае появляется возможность формирования структуры, более прочной, нежели сталь, очень легкой, и что не менее главное - более эластичной, нежели резина. На первых порах исследователи рассматривали возможность создания искусственных мышц на основе полимерных материалов, но затем переключил свое внимание на углеродные нанотрубки.

Что еще более удивительно, углеродные мышцы получились гораздо «сильнее» естественных. Так, обычная мышечная ткань может сокращаться на 10% в течение одной секунды. Мышцы на основе углеродных нанотрубок за тот же временной промежуток способны сокращаться на 40 000%. Впечатляет и диапазон рабочих температур: от температуры жидкого азота до температуры плавления железа - этот факт позволяет в будущем использовать подобные структуры в самых экстремальных условиях, в том числе и для исследования космоса, планет и их спутников.

Впрочем, только лишь созданием искусственных мышц применение волокон углеродных нанотрубок не ограничивается. На их основе становится возможным изготовление эффективных солнечных батарей - в данном случае будет использоваться на только возможность применения нанотрубок в качестве проводников, но их способность «сокращаться», меняя, таким образом, и форму самой батареи. Помимо этого на основе подобных структур возможно создание прочных конструкций с возможностью изменения их формы, искусственных конечностей и пр.

9. НАТРИЙ-КАЛИЕВЫЙ НАСОС

Натрий-калиевые насосы входят в состав цитоплазматических мембран, окружающих клетки.

Рис.9-Натрий-калиевый насос

Натрий-калиевый насос переносит из внутренней области клетки во внешнюю среду три иона натрия в обмен на два иона калия, которые перемещаются внутрь клетки.

Натрий-калиевый насос является электрогенным - на каждые три иона Na, транспортируемых наружу, направляются внутрь два иона К; таким образом, при каждом цикле из клетки забирается по одному положительному заряду. Система ионного транспорта включает АТРазу и ионофор - сложные мембранные белки. Один из белковых компонентов подвергается промежуточному фосфорилированию с помощью АТР.

В условиях нормального кровоснабжения нерва натрий-калиевый насос обеспечивает устойчивое поддержание ионного состава цитоплазмы, так как число ионов Na, поступающих внутрь волокна, и К, покидающих волокно при каждом импульсе, очень мало по сравнению с общим их содержанием в цитоплазме и межклеточной жидкости. Если принять, что число ионов, пересекающих единицу площади мембраны, в различных волокнах одинаково, то в этом случае изменение концентрации этих ионов в цитоплазме должно быть обратно пропорционально диаметру волокна. Поэтому волокно диаметром 0 5 мкм при каждом импульсе должно терять / юоо содержания К вместо / loooooo, как это наблюдается в гигантских аксонах кальмара. Этим, по-видимому, и объясняется тот факт, что тонкие нервные волокна утомляются значительно быстрее, чем толстые.

Натрий, выкачиваемый из клетки натрий-калиевым насосом, стремится диффундировать обратно в клетку. В мембране находится транспортный белок, которому для выполнения его функций требуются натрий и глюкоза. Они транспортируются в клетку вместе пассивно, за счет облегченной диффузии. Активный транспорт аминокислот совершается при участии аналогичного белкового натрий-аминокислотного переносчика; активной частью этого процесса является выкачивание натрия наружу.

Неравнозначный перенос заряженных ионов (частиц) через мембрану вызывает ее поляризацию: появление снаружи и - изнутри, поэтому натрий-калиевый насос называют электрогенным.

10. БИОИНФОРМАТИКА

Под биоинформатикой понимают любое использование компьютеров для обработки биологической информации. На практике, иногда это определение более узкое, под ним понимают использование компьютеров для обработки экспериментальных данных по структуре биологических макромолекул с целью получения биологически значимой информации.

Биоинформатика использует методы прикладной математики <#"650071.files/image012.jpg">

Рис.10-Водомерка на воде

ВЫВОДЫ

Биологический электропривод преобразовывает энергию электрического поля в механическую энергию движения положительно заряженных ионов и связанного с ионами исполнительного органа. Энергетическая эффективность преобразования выше на несколько порядков, чем известных электрических машин.

Механические характеристики привода зависят от массы ионов, которые приводят в движение рабочий орган: у двигателя на ионах водорода характеристики мягкие, как у электродвигателя последовательного возбуждения, при ионах калия они такие же, как асинхронной машины или двигателя параллельного возбуждения.

Также различны зависимости скорости от напряжения: при ионах водорода скорость существенно изменяется при изменении напряжения, при ионах калия изменяется незначительно.

Высокие энергетические параметры биологического электропривода имеют место, когда его размеры соизмеримы с длиной свободного пробега ионов - порядка 10^-7 - 10^-8 м. Для использования такого привода необходимо либо преобразовать макротехнологии в микро (такие технологии известны, например, для обработки руды), либо создать конструкции, способные решать задачи макротехнологии микроприводом.