2023 Szerző: Sophia Otis | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-05-21 01:49
Processzív biomolekuláris motorok, amelyek aktívan mozognak a citoszkeletális szálak mentén, irányítják a rakományforgalmat a sejtekben és a biomimetikus rendszerekben. Egyetlen motormolekula elegendő rakományok, például hólyagok vagy latexgyöngyök néhány mikrométeres folyamatos szállításához. A nagyobb távolságra történő szállításhoz több motormolekulának is együtt kell működnie. A potsdami Max Planck Kolloidok és Interfészek Intézet tudósai most új elméletet dolgoztak ki, amely szerint mindössze hét-nyolc motormolekula elegendő a centiméter vagy akár méter feletti irányított szállításhoz. Azt is mutatják, hogy a húzómotorok által megosztott terhelés erősen csökkenti a rakomány sebességét, és erősen nemlineáris erő-sebesség összefüggéshez vezet (PNAS, Advanced Online Publication, 2005. november 14-18.).
A molekuláris motorok nanotraktorok mindenféle rakomány számára az élőlények sejtjeiben. Lépésenként mozognak a citoszkeleton filamentumai mentén, az ATP hidrolíziséből származó energiát fogyasztva, amely a sejt üzemanyagának tekinthető. A kinezin és a dynein motorok a mikrotubulusok mentén, a miozinok pedig az aktinszálak mentén mozognak. Ezeknek a motoroknak a lépésméretei 10 nm nagyságrendűek. Az izzószálak mentén irányított módon lépve a motorok olyan rakományrészecskéket húznak, amelyek sokkal nagyobbak, mint maguk a motorok. A sejtek működésében betöltött jelentőségük mellett a molekuláris motoroknak számos lehetséges felhasználási területük van biomimetikus szállítórendszerként, és valószínűleg kulcsfontosságú összetevői lesznek a feltörekvő bio-nanotechnológiának.
A molekuláris motorok által vezérelt aktív transzport különösen fontos az idegsejtek vagy a neuronok számára. Ezeknek a sejteknek kiterjedt kompartmentjei, axonjai vannak, amelyek összekötik a sejttestet a szinapszissal, ahol az idegi jelek egyik idegsejtről a másikra jutnak. Az axonok hossza centiméteres vagy akár méteres tartományban van; a viszonylag hosszú axonok példái azok, amelyek összekötik a gerincvelőt az ujjaink és lábujjaink hegyével. Egy ilyen axonon belül a mikrotubulusok biztosítják azokat a pályákat, amelyek mentén a molekuláris motorok szállítják rakományukat, például neurotranszmitterekkel teli hólyagokat.
Az elmúlt évtizedben a molekuláris motorokkal kapcsolatos ismereteink gyorsan bővültek. Ez főként a hatékony egymolekulás kísérletek és biomimetikai modellrendszerek kifejlesztésének volt köszönhető, amelyek lehetővé teszik a sejteken kívüli molekulamotorok szisztematikus tanulmányozását. Az egyik példa a gyöngyvizsgálat, ahol a filamenteket egy felületen rögzítik. A molekuláris motorok latex gyöngyöket húznak végig ezeken a szálak mentén, és a gyöngyök mozgását mikroszkóp alatt figyelhetjük meg.
E kísérletek egyik fontos eredménye, hogy a molekuláris motorok, ellentétben a vasutakkal vagy a személygépkocsikkal, erősen hajlamosak leesni a pályájukról, és a környező vizes oldatba diffundálni. Ez egyenes következménye nanoméretű méretüknek, ami miatt meglehetősen érzékenyek a termikus zajra. Így egyetlen molekuláris motor csak viszonylag rövid ideig, egy másodperc nagyságrendben képes „megragadni” az izzószálon. Ez alatt az idő alatt egyetlen motor körülbelül egy mikrométert tesz meg, ami az axonokban lévő rakományrészecskék hosszú szállítási távolságának csak egy kis részét, körülbelül 1/10 000-ét jelenti. Más szavakkal, egyetlen motor úgy viselkedik, mint egy sprinter, míg az egész rakomány egy maratont teljesít.
A potsdami Max Planck Kolloidok és Interfészek Intézet tudósai most egy egyszerű megoldást kínáltak erre a rejtvényre. Ha a rakományt több motor húzza, amint az 1. ábrán látható, minden olyan motor, amely leválik az izzószálról, mindaddig az izzószál közelében marad, amíg a rakományt és az izzószálat még legalább egy megkötött motor térhálósítja. Ilyen helyzetben a kötetlen motor visszakötődhet az izzószálhoz, majd tovább húzhatja a rakományt – az emberi sprinterekkel ellentétben a molekuláris motorok nem fáradnak el.
Ez a mechanizmus egy új elméleti modellből származik, amely megkülönbözteti a rakományrészecske különböző kötött állapotait, és leírja az ezen állapotok közötti átmeneteket. Ezzel a modellel a Max Planck tudósok számos szállítási tulajdonságot tudtak kiszámítani, például a rakományrészecske átlagos sebességét és átlagos sétatávját a részecskét húzni képes motorok maximális számának függvényében. Például a kinezin motorok esetében a számítások azt mutatják, hogy mindössze hét-nyolc motor elegendő a centiméteres távolságra történő szállításhoz, és egy 10 motor által húzott rakományrészecske átlagos gyaloglási távolsága körülbelül 1 méter.
Ha a molekuláris motorok külső terhelési erővel szemben mozognak, ez az erő megoszlik a húzómotorok között. Az egyik nyilvánvaló következmény az, hogy a rakomány mozgása lelassul. Ezen túlmenően, az egyes húzómotorok által érzett erő erősen növeli az ilyen motorok feloldódásának valószínűségét. Ezen túlmenően, ahogy egyre több motor köt le, a megmaradt húzómotorok mindegyikének nagyobb erőt kell kitartania, ami azt jelenti, hogy a szétválási valószínűségük még tovább nő. Ez a kioldódási folyamatok kaszkádjához vezet, és a rakomány sebességének erősen nemlineáris függéséhez a külső terhelési erőtől. Hasonló kaszkád folyamatok várhatók bonyolultabb helyzetekben, ahol a rakományszállítást különböző típusú molekulamotorok végzik.
Az új elmélet által megjósolt összes szállítási tulajdonságot kísérletekben lehet vizsgálni olyan technikák alkalmazásával, amelyeket egyedi motorokhoz fejlesztettek ki. Valójában a potsdami Max Planck Intézet előzetes kísérletei megegyeznek az elméleti előrejelzésekkel. Hasonlóképpen, a kvantitatív elméletnek hasznosnak kell lennie biomimetikus transzportrendszerek tervezésében is a lab-on-a-chip alkalmazásokhoz - amelyekben például molekuláris motorok szállítanak bizonyos molekulákat meghatározott reakcióhelyekre. Az ezekben a rendszerekben lévő filamentumok elrendezésétől függően az utazási távolság változtatása stratégiát biztosít a reagensek célhelyeikre való lokalizációjának szabályozására, vagy alternatívaként diffúziójuk szabályozására, amelyet motorvezérelt aktív transzport fokoz.
