Нанодвигатель: как работает мотор, созданный бактериями
Ротор, статор, тормоз и трансмиссия: как работает клеточный двигатель, изобретенный бактериями миллиарды лет до первого автомобиля, первого станка и первого человека.
С тех пор как десять лет назад в России случился нанотехнологический бум, мы с нетерпением ждем обещанной революции – «умных» приборов, материалов и механизмов, с ювелирной точностью собранных из отдельных молекул и даже атомов. К сожалению, до сих пор разработать, пустить в массовое производство и с успехом применять молекулярные наномашины удалось разве что самой природе. Один из самых поразительных примеров этому дают жгутики обыкновенных бактерий.
Их устройство столь совершенно, что сторонники некоторых псевдонаучных концепций часто упоминают жгутики в числе систем с «неупрощаемой сложностью»: дескать, этот механизм настолько сложен и внутренне взаимосвязан, что никак не мог возникнуть в ходе постепенной эволюции, по частям, а появился сразу в готовом виде, в результате «разумного замысла». Обоснованную критику подобных взглядов легко найти в Сети. Мы же лучше взглянем на устройство этой поразительной машины – пример высоких нанотехнологий от организмов, которые мы привыкли считать низшими.
Двигатель
Большинство бактерий, способных к активному движению, используют для этого жгутики – длинные и упругие белковые нити, быстрое вращение которых проталкивает клетку в жидкости. Мощность этого молекулярного устройства поразительна, позволяя микробу преодолевать дистанцию до 100 длин собственного тела в секунду. Для сравнения, разогнавшийся гепард покрывает за секунду порядка 25 длин своего тела, – а ведь бактерии приходится двигаться в водной среде, весьма вязкой для крошечных микроорганизмов.
Жгутик приводится в движение огромным молекулярным комплексом, сложенным из примерно 20 различных белков – базальным телом, или «бактериальным жгутиковым двигателем» (BFM – Bacterial Flagellar Motor). Эта громадная (40-45 нм в диаметре) машина намертво вмонтирована в оболочку клетки, вращая свой ротор с частотой до 40-50 тыс. об./мин (для сравнения, двигатели болидов Формулы 1 совершают около 15 тыс. об./мин). При этом бактериальный «мотор» способен затормозить всего за четверть оборота – и тут же запуститься в противоположном направлении.
В устройстве BFM действительно находится много общего с «настоящим» роторным двигателем. Помимо подвижной части – собственно, ротора, – здесь имеется и толкающий винт (жгутик), соединенный с ним посредством карданного шарнира (крюка). Он вращается, удерживаясь в полых втулках скольжения, и приводится в действие неподвижной частью – статором. Часть устройства играет роль трансмиссии, обеспечивая переключение «передней» (по часовой стрелке) и «задней» (скоростей). Впрочем, обо всем по порядку.