Жгутики из бисера: Жгут из бисера своими руками – мастер класс для начинающих

Бактерии, используемые в качестве микромоторов

Технология

26 января 2007 г.

By Belle Dumé

Одна из основных задач при разработке микророботов заключается в уменьшении их мощности и тяги. Теперь исследователи в США, возможно, нашли решение этой проблемы, используя естественное движение бактерий для перемещения микрообъектов по воде.

Многие бактерии передвигаются в жидкости, вращая свои штопорообразные хвосты, называемые жгутиками, с относительно высокой скоростью. Эти жгутики имеют диаметр всего около 20 нанометров и длину около 10 000 нм.

Моторы, сделанные из бактериальных жгутиков, ранее использовались в качестве новых «наноприводов» (см. Бактерии, используемые в качестве миниатюрных насосов ), но Метин Ситти и Бахаре Бехкам из Университета Карнеги-Меллона в Пенсильвании, США, выбрали другой подход. Они используют весь микроорганизм в качестве двигателя и контролируют его включение/выключение с помощью химических веществ.

Ситти и Бехкам начали с того, что наклеили несколько S. marcescens — бактерий, вызывающих розовые пятна на занавесках для душа, — на полистироловые шарики диаметром 10 микрон. Эти крошечные «роботы» были подвешены в растворе, содержащем воду и глюкозу.

Реклама

Сами бактерии составляют примерно одну пятую размера каждой бусинки и прикрепляются к ней с помощью электростатических сил, сил Ван-дер-Ваальса и гидрофобных взаимодействий. По мере того, как прикрепленные бактерии вращают свои жгутики, питаясь окружающей глюкозой, они толкают свои шарики вперед со скоростью около 15 микрон в секунду.

Чтобы остановить движение бактерий, исследователи добавляют в раствор медный купорос. Ионы меди связываются с ротором мотора жгутиков и не дают ему двигаться. Чтобы возобновить движение, добавляется другое химическое вещество, называемое этилендиаминтетрауксусной кислотой (ЭДТА). ЭДТА улавливает ионы меди, прикрепленные к ротору, позволяя ему снова двигаться. Роторы можно выключать таким образом неограниченное количество раз.

Использование всего микроорганизма в качестве двигателя имеет много преимуществ, говорят исследователи. Бактерии — это надежные машины, которые легко интегрируются с другими микроскопическими компонентами и не нуждаются в очистке или восстановлении, в отличие от отдельных бактериальных компонентов.

Кроме того, двигатели бактерий работают с использованием простых питательных веществ, таких как глюкоза, и естественным образом чувствительны к окружающей среде. Это означает, что ими можно точно управлять.

«В будущем такие гибридные плавающие микророботы можно будет использовать даже для доставки лекарств внутрь жидких сред человеческого тела, таких как мочевыводящие пути, полость глазного яблока, ухо и спинномозговая жидкость», — сказал Ситти Новый ученый . «Они также могут использоваться для мониторинга токсичных или патогенных биохимических агентов в окружающей среде, а также для проверки и обслуживания труб, заполненных жидкостью, в космических кораблях и атомных электростанциях».

Ссылка на журнал: Applied Physics Letters (том 90, стр. 023902)

Бактериальный жгутик

Жгутик и подвижность бактерий

Наиболее распространенным механизмом, используемым бактериями для плавания в жидкой среде, является жгутик. Бактериальный жгутик состоит из 3 основных доменов: двигатель с ионным приводом, который может обеспечивать крутящий момент в любом направлении; крюк, универсальный шарнир, который передает крутящий момент двигателя, даже если он изогнут; и нить накала, очень длинная структура, которая действует как пропеллер и ведет себя по-разному в зависимости от того, в какую сторону вращается двигатель.

Когда жгутик бактерий вращается мотором, нить образует суперспираль, придавая ей форму штопора. Жгутиковые бактерии способны совершать направленное движение за счет изменения вращательного поведения жгутика. Когда жгутик вращается по часовой стрелке, нить образует суперспираль с длинным шагом, позволяя нескольким жгутикам на одной клетке образовывать большой пучок, который продвигает бактерию по прямой линии в одном направлении. Когда нить вращается в противоположном направлении, она образует суперспираль с более коротким шагом; это приводит к тому, что пучок жгутиков разбирается, а независимое движение нескольких жгутиков на клетке заставляет ее беспорядочно переворачиваться. Используя эти два режима движения, бактерии могут двигаться вверх или вниз по градиенту стимула, уменьшая частоту своих кувырканий (если они движутся в предпочтительном направлении) или увеличивая частоту своих кувырканий (если они движутся против желаемого направления), что позволяет им подвергаться смещенному случайному блужданию.

Механизмы жгутиковых компонентов

Механические свойства всех трех жгутиковых компонентов представляют интерес для биологов (из-за применения к патогенным организмам) и для нанотехнологий, поскольку они могут служить шаблоном для полезных структур атомного масштаба. Крюк (который действует как наноразмерный универсальный шарнир) и нить (которая может переключаться механически) были особенно хорошо изучены, и для обеих сборок доступны как рентгеновские кристаллические структуры, так и крио-ЭМ карты.

Переключение суперспиралей в жгутиковой нити считается результатом полиморфных переходов в нити, когда отдельные белковые единицы скользят друг относительно друга. Молекулярные механизмы полиморфного перехода остаются малоизученными. Неясно даже, какие взаимодействия важнее: белок-белок или белок-растворитель. Поскольку разрешение в экспериментах с функционирующими жгутиками недостаточно велико, для выяснения этого вопроса необходимо моделирование. Точно так же, хотя недавние эксперименты показали, что свойства универсального соединения крючка уступают сжимаемости при взаимодействии соседних субъединиц по длине крючка, но масштабы времени и длины, необходимые для разрешения этих взаимодействий, одновременно недоступны.

Крупнозернистая модель жгутика

Крупнозернистая жгутиковая нить. ( а ): одиночный мономер флагеллина, модель всего атома по сравнению с моделью CG. (b): Расположение мономеров в филаменте, если смотреть сбоку и снизу, полностью атомный (слева) и CG (справа). (c): смоделированный сегмент нити (1100 мономеров).

Моделирование всего атома в настоящее время не может достичь масштабов времени и длины, относящихся к переходам в жгутиковой нити (миллисекунды и микрометры). Вместо этого следует воспользоваться методами крупнозернистой молекулярной динамики (CG MD). В модели компьютерной графики для описания системы используется уменьшенное число степеней свободы. В результате при заданной мощности компьютера можно моделировать более крупные системы за более длительное время, чем это возможно при представлении всего атома.

Техника компьютерной графики, называемая методом компьютерной графики на основе формы, была разработана учеными TCBG и применена для моделирования нити жгутика (как сообщается здесь). В этом методе выбирают несколько шариков CG, которые будут представлять один белок, и алгоритм самоорганизующейся нейронной сети используется для распределения шариков таким образом, чтобы они оптимально представляли форму полностью состоящего из атомов белка. Один флагеллиновый белок представлен 15 частицами CG (около 500 атомов на частицу CG).

Эффективные потенциалы для взаимодействий между частицами CG были получены в результате МД-моделирования всех атомов. Простая неявная модель растворителя, воспроизводящая диэлектрическую проницаемость и вязкость воды, использовалась для учета растворителя (неявный растворитель также был параметризован на основе моделирования всех атомов). В результате сегмент жгутиковой нити длиной в полмикрометра можно было смоделировать в масштабе времени в десятки наносекунд. Эта система состояла примерно из 20 000 шариков в представлении компьютерной графики, тогда как в полноатомном описании она составила бы 70 000 000 атомов, что невозможно смоделировать на современных суперкомпьютерах, не говоря уже о достижении микросекундных временных масштабов.

Разработанная компьютерная модель резко отличается от хорошо зарекомендовавших себя полностью атомных моделей. Тем не менее, программы TCBG VMD и NAMD можно было использовать без каких-либо изменений для моделирования крупнозернистого жгутика. Примечательно, что масштабирование параллельной производительности, которое NAMD продемонстрировало в этих компьютерных симуляциях, было таким же, как и в симуляциях всех атомов. Тот же метод компьютерной графики был успешно применен для изучения динамики вирусных капсидов.

Полиморфные переходы в повернутой жгутиковой нити

Вращение жгутиковой нити.

Было выполнено три моделирования сегмента большого филамента (длина 530 нм, 1100 субъединиц) (фильм на галлон, 6,1 млн): с крутящим моментом, приложенным в направлении, соответствующем рабочему режиму, акробатическому режиму и без крутящего момента , в качестве контроля. Крутящий момент прикладывался к 30 мономерам в основании нити; каждая из трех симуляций занимала 30 микросекунд.

Без крутящего момента структура нити стабильна. Когда применяется крутящий момент, структура в целом остается стабильной, но единичные белки резко перестраиваются. При передаче крутящего момента по длине нити части нити начинают вращаться, а другие части (ближе к кончику) остаются в покое. В прямом филаменте, который является исходной структурой для этих симуляций, протофиламенты образуют правозакрученную спираль с большим периодом спирали. Когда крутящий момент прикладывается против часовой стрелки (если смотреть от основания к кончику), протофиламены остаются организованными в правые спирали, но шаг спиралей увеличивается; когда крутящий момент приложен в противоположном направлении, спирали становятся левыми. Нить также образует суперспираль в целом. При вращении, соответствующем бегущему режиму, нить образует левый супервиток, тогда как при моделировании кувыркающегося режима он становится правовинтовым супервитком. Такая же разница в хиральности этих суперспиралей обнаруживается у живых бактерий.

Таким образом, моделирование воспроизводит некоторые детали экспериментально известных жгутиковых структур, а также предполагает, что перестройка протофиламентов при вращении согласуется с предыдущими теоретическими моделями. Протофиламенты скользят друг относительно друга, так что вся структура претерпевает полиморфный переход из одного спирального состояния в другое при приложении крутящего момента. Эти переходы вызывают изменения в состояниях сверхспирализации всей нити, создавая формы, которые позволяют бактериям плавать или кувыркаться в зависимости от направления крутящего момента.

Роль растворителя

Влияние растворителя.

Сильное сцепление между единицами белка внутри протофиламента, в отличие от более слабых взаимодействий между единицами в соседних протофиламентах, должно быть причиной того, почему протофиламенты скользят друг относительно друга, вызывая наблюдаемые полиморфные переходы. Однако в функции сложной молекулярной машины, которую представляет жгутик, вовлечены и другие взаимодействия. Выяснение роли определенных взаимодействий часто является трудной задачей для эксперимента, но становится легкой, когда используются численные расчеты, когда системой можно манипулировать по желанию ученого. Компьютерное моделирование жгутиковой нити предполагает, что взаимодействия белок-растворитель на самом деле чрезвычайно важны для возникновения полиморфных переходов, что не принималось во внимание в большинстве предыдущих исследований жгутика.

Вращение короткого жгутикового сегмента (220 мономеров) было смоделировано для изучения роли растворителя. Скорость распространения вращения, переключение состояний протофиламента и суперспирализация сегмента такие же, как и при моделировании сегмента из 1100 мономеров, демонстрируя, что наблюдаемое поведение обусловлено локальными взаимодействиями. Короткий участок моделировался с растворителем и без него, что в используемой модели означает наличие или отсутствие внешней вязкости. Без растворителя жгутик вращается как твердое тело, т. е. взаимные положения мономеров заморожены, что видно на фильмах вращения для режима бега (мили на галлон, 6.0M) и для режима акробатики (мили на галлон). фильм, 6,2М). По-видимому, растворитель (трение) играет решающую роль в переключении между расположениями протофиламентов и, следовательно, в возникновении сверхскрученности вдоль всего филамента.

Поскольку расположение мономеров в жгутике характеризуется внутренней ковшообразной кривизной, возникает вопрос, индуцирует ли эта кривизна полиморфный переход из-за взаимодействия с растворителем. В симуляциях, где вращение применяется по всей длине короткого жгутикового сегмента, мономеры расчесываются для режима акробатики и становятся очень гладкими для режима бега, при этом форма мономеров сильно зависит от вращения. Без растворителя (трения) сегменты выглядят одинаково для обоих направлений вращения. Однако в действительности крутящий момент применяется только к основанию жгутика; в таком случае разница из-за вращения в ту или иную сторону, наблюдаемая в моделировании компьютерной графики, заключается не в форме мономера (на которую вращение не влияет), а во взаимном расположении мономеров. Таким образом, роль растворителя (трения) заключается не в прямом скручивании или разматывании нити путем трения о ее неровную поверхность, а скорее в содействии надлежащей передаче крутящего момента на нить (за счет трения), что позволяет мономерам подвергаться полиморфному превращению. переход.

Дополнительные возможности.

CG-модель, применяемая для изучения жгутиковой нити, была разработана в общем виде и, в принципе, может быть использована для моделирования любой макромолекулярной сборки известной структуры. Для самого жгутика следует изучить другие части, кроме нити, такие как крючок — универсальное соединение, передающее крутящий момент от двигателя к нити, соединительные кольца между крючком и нитью и составные части базального тела.