Износ наночелнока: важен пробег, а не возраст
По мере быстрого прогресса в дизайне наномашин исследователи переходят от вопроса «работает ли наномашина» к вопросу «как долго она будет работать». Это особенно важно для множества потенциальных применений, например, в медицине: доставка лекарств, ранняя диагностика, мониторинг заболеваний, инструментарий и хирургия.
В новом исследовании под руководством Генри Хесса, адъюнкт-профессора биомедицинской инженерии в Columbia Engineering, учёные впервые детально изучили деградацию активной, автономной наномашины. Они наблюдали за молекулярным челноком, приводимым в движение моторными белками кинезинами, и обнаружили его износ в процессе работы.
«Наш наночелнок деградировал, как автомобиль, который разваливается после нескольких сотен тысяч миль пробега, — говорит Хесс. — За исключением того, что для нашего молекулярного челнока эквивалентом ста тысяч миль оказался один миллиметр».
Исследователи уже работают над созданием искусственных мышц и других активных материалов. Для создания практичных систем критически важно понимать, как обеспечить их долговечность.
«Это означает, что, пытаясь понять устройство биологических наномашин, работающих внутри клеток, а затем изобретая новые синтетические наномашины, мы должны учитывать срок их службы и делать их либо долговечными, либо способными к самовосстановлению», — объясняет Хесс.
Биомолекулярные системы способны к активным движениям в наномасштабе благодаря преобразованию химической энергии в механическую работу процессами полимеризации и моторными белками. Команда Хесса использовала систему in vitro для изучения нанодвижений и их последствий. Они обнаружили, что механическая активность биомолекулярных моторов вызывает износ на молекулярном уровне, аналогичный износу работающего автомобильного двигателя.
В организме человека биомолекулярные моторы также отвечают за сокращение мышц и доставку грузов внутри клеток. Для предотвращения старения и болезней эти процессы должны бесперебойно работать в течение всей жизни. В ходе эволюции возникли биологические механизмы, такие как постоянная замена молекулярных частей, чтобы предотвратить быструю деградацию наномашин организма.
«Наше исследование показало, что износ — важная проблема, которую необходимо учитывать при проектировании наномашин, — добавляет Хесс. — И очевидно, что лучшее понимание наноинженерии поможет нам лучше понять старение и дегенерацию в биологических системах».
Статья «Molecular wear of microtubules propelled by surface-adhered kinesins» опубликована 26 января в Advance Online Publication журнала Nature Nanotechnology.