Вы здесь

Молекулярные чудеса

суббота, 12. ноября 2016 - 19:41

Не так давно кто-то из ученых подсчитал средний возраст Нобелевских лауреатов в области естественных наук с 1900 года по наше время. Выяснилось, что этот возраст непрерывно повышается. К примеру, если в 1920-е годы премии по физике получали 30-летние, то сегодня - те, кому под 70. (Это, кстати, почему-то не так в области литературы).

Автор подсчета предложил возможные объяснения этой ситуации. Нобелевский комитет, пишет он, всегда выжидает надежного подтверждения открытий, и по мере того. как открытий становится все больше (тех же физиков в 1920-е годы было несколько тысяч, а сегодня около миллиона!), срок ожидания соответственно растет (добавим от себя – иногда растет до неприличия: Питер Хиггс был удостоен премии за свою знаменитую частицу через 50 лет, а ее со-открыватель за это время вообще умер).

Термин «молекулярные моторы» возник недавно, в ходе изучения жизни клеток. В любой клетке, на ее специальных органеллах, т.н. рибосомах, непрерывно создаются белки и другие молекулы, которые затем нужно доставлять по месту их работы. Оставлять это дело на волю случайных блужданий означало бы обречь клетку на гибель. К счастью, эволюция снабдила всякую живую клетку своего рода «скелетом», который охватывает и пронизывает весь ее объем, давая ей возможность сохранять форму и внутреннюю организацию, а также помогая ей двигаться и делиться. Этот скелет состоит из белковых волокон разного типа, причем интересно, что некоторые из них имеют «полярность»: одни всегда направлены «полюсом» от ядра к периферии и далее к мембране клетки, а другие, наоборот, от мембраны через периферию к ядру. И оказывается, что эти внутренние «полярные» волокна служат «рельсами» для организованного и целенаправленного перемещения нужных молекул в нужные места – по этим рельсам их переносят своего рода биологические «грузовики» в виде самодвижущихся белковых комплексов. Вот эти-то как раз и являются одной из разновидностей т.н. «молекулярных моторов». (Кстати, в 2014 году ученым удалось создать искусственное подобие такого «грузовика»).

Премия 2016 года в области химии стала еще одним подтверждением этой унылой статистики – ее лауреаты (Савадж, Стоддард и Феринга) приближаются к 70-ти, а «возраст» их работ – к 35 годам. Более неожиданным является характер премированных работ. Вокруг Нобелевских премий существует целая «индустрия предсказаний», и в данном случае эксперты-предсказатели называли в качестве фаворитов работы по исправлению генов с помощью метода CRISPR, новые достижения в борьбе с раком и некоторые другие недавние открытия, но Нобелевский комитет остался верен себе и наградил работы по созданию искусственных молекулярных моторов, уже показавшие большие прикладные перспективы.

Но в клетках имеются и другие разновидности таких моторов: некоторые вращают хвостиками бактерий, другие приводят в волнообразное движение реснички в дыхательных путях, третьи, меняя свою длину с помощью полимеризации, позволяют клетке ползти, четвертые растаскивают в разные стороны две нити ДНК при делении клетки – и так далее. Общее у всех у них то, что они потребляют энергию из того или иного источника внутри клетки и превращают ее в механическую работу, причем делают это с большим кпд, чем все (до сих пор) моторы, созданные людьми.

Тройка нынешних лауреатов уже в 1980-х годах задалась целью разработать методы создания искусственных моторов молекулярного размера, которые могли бы двигаться внутри клеток, производя там разные полезные действия - доставлять в нужные места лекарства, уничтожать клеточный «мусор» и т.п. Идя по этому пути, группа Саваджа в 1983 году создала первую молекулу, скрепленную не химической, а механической связью. В 1991 году Стоддард создал первый молекулярный «шаттл» - искуcственную молекулу, способную (под воздействием меняющейся кислотности среды) совершать колебания между двумя стационарными положениями. Затем та же группа, используя этот «шаттл», создала искусственную «мышцу» - молекулу, способную сгибать тонкий листок, и наконец искусственную молекулу-лифт. А Феринга в 1999 году создал искусственное молекулярное колесо, а затем, на его основе, - четырехколесный нано-автомобиль.

Как же создаются эти искусственные молекулярные моторы? Каждая задача требует оригинального решения. Савадж, например, начал с поиска полукольцевых по форме молекул, которые обладали бы родством с ионами меди. Затем он с помощью некой химической реакции встроил ион меди внутрь молекулы, имевшей форму кольца, и тогда полукольцевая молекула вошла в это кольцо. Затем к тому же иону притянулась вторая полукольцевая молекула и соединилась с первой, образовав вторичное кольцо, продетое в исходную кольцевую молекулу. Повторяя этот процесс, он получил цепь продетых друг в друга кольцевых звеньев, подобную якорной цепи.

Другим путем пошел Стоддард. Подобно Саваджу, он продел одну молекулу в другую, но у него в кольцевую молекулу была вставлена молекула прямолинейная, имевшая форму «штанги». Два участка на этой «штанге» обладали способностью менять форму при изменении кислотности среды. Если кислотность возрастала, первый участок менял форму так, что «сидевшая» на нем кольцевая молекула соскальзывала и сдвигалась, охватывая второй участок. Если же кислотность понижалась, второй участок менял форму так, что кольцевая молекула вынуждена была соскользнуть с него и вернуться на первый участок. Поэтому при периодическом изменении кислотности кольцевая молекула ходила по «штанге» туда и обратно. Поставленная вертикально, эта конструкция превратилась в молекулярный «лифт», способный поднимать крохотные нано-грузы на высоту в 7 ангстремов (расстояние между двумя участками).

Наиболее сложное строение имели «колеса» Феринги. Они вовсе не были похожи на колеса. Каждое из них представляло собой молекулу, подобные короткому веслу с двумя широкими лопастями. Химическая связь между «лопастями» могла меняться под воздействием приходящих извне электронов. Изменение связи приводило к тому, что молекула поворачивалась, меняя положение своих «лопастей», - они как бы совершали «гребок». Непрерывно подавая на нее электроны, Феринга добился непрерывного «вращения» этого «весла», а прикрепив четыре таких «весла» к плоской широкой молекуле-«шасси» получил микроскопическую «автомашину», способную ползти по плоской поверхности.

Эти достижения, разумеется, открывают серьезные прикладные перспективы. Например, «шаттлы» Стоддарда могут работать в компьютере, где два их положения будут означать 0 и 1. А молекулярный автомобиль Феринги может перевозить какие-нибудь нано-датчики для их установки в клетке. Однако пока что всё сказанное - лишь воодушевляющие перспективы, и работают в этом направлении лишь немногочисленные научные группы. Остается надеяться, что нынешняя премия привлечет более широкое внимание ученых к этой многообещающей области.

***********************************************************************************************

Превосходный панголин

Все мы, работая на компьютерах, пользуемся т.н. операционными системами. В смартфонах это, в основном, Андроид (65% мирового рынка), а в настольном компе - в основном, Майкрософт (82% мирового рынка). Но есть и многие другие подобные системы, и одной из них является Убунту (Ubuntu). Ее авторы утверждают, что их программой пользуются сегодня 50 млн человек во всем мире. Может быть. Но куда интересней создатель компании, выпускающей эту программу. 40-летний уроженец Южной Африки Марк Шаттлворс, - личность весьма примечательная: это он в 2002 году, уплатив 20 млн тогдашних долларов (25 млн сегодня), стал первым космическим туристом и провел 8 дней на орбитальной космической станции; для этого ему пришлось потратить год на тренировку, из них 7 месяцев в России.

Так вот, выступая в октябре 2011 года на презентации очередной новой версии Убунту, Шаттлворс произнес шутливую речь, изобиловавшую словами на букву П (естественно, английскими), - по той причине, как он сказал, что его фирма решила назвать свое новое изделие именем замечательного животного, а имя это как раз начинается на букву П. Но это не Поразительная Панда, - воскликнул он, - и не Прекрасная Пантера, и не Подлый Питон, и не Примитивный Поссум, - нет, это… (тут последовала надлежащая пауза) – это Превосходный Панголин!

Изображение

Лично я до этого никогда не слышал о таком животном. Думаю, и вы тоже. Между тем, оказывается, что панголин – это, в своем роде, уникальное существо, причем по многим параметрам сразу. Один из писавших о нем авторов насчитал целых 13 удивительных особенностей этого, как он выразился, «самого массово уничтожаемого вида на земном шаре». И знаете – эта характеристика, к сожалению, верна. У другого автора я прочел, что несколько лет назад было задержано пиратское судно, на котором браконьеры везли 10 тысяч кг (10 тонн!) панголинового мяса из Африки на китайский рынок. (Там, как и в самой Африке, это мясо считается лучшим лекарством против астмы и рака!) Учитывая малые размеры панголинов, 10 тонн – это тысячи и тысячи убитых животных. И действительно, по оценкам специалистов, браконьеры убивают в год около 100 тысяч панголинов, и они составляют 20% всего мирового рынка нелегально убиваемых животных.

Не случайно те же специалисты, описывая опасности, подстерегающие панголинов, пишут: «После человека, самыми опасными для них являются львы и тигры». И знаете, почему? Потому что только львам и тиграм под силу раскатать тот шар («пенголин» на малайском наречии), в который свертывается это животное, когда на него нападает хищник. Но и раскатанное, оно не сдается, а выделяет некое отвратительно пахнущее вещество, зачастую отпугивающие даже львов и тигров.

Сам панголин ни на кого не нападает. Это мирное животное питается насекомыми. Подойдя к муравейнику или термитнику, оно разворачивает его мощными когтями передних лап и высовывает длинный (до 40 см!) язык, свернутый в полусантиметрового диаметра трубочку. Внутри трубочка покрыта медового запаха и вкуса «слюной», на которую муравьи влекутся толпами. Набрав в язык порцию это живой пищи, панголин втягивает язык в рот (лишенный всяких зубов), и пища попадает в желудок, который покрыт ороговевшей пленкой (муравьиная кислота поэтому панголину не страшна) и в котором имеются подобия зубов, перетирающих всех мурашек (в помощь этим «зубам» панголин еще нарочно заглатывает небольшие камешки).

Ста-двухсот граммов мурашек панголину хватает на день. Как я уже сказал, животное это небольшое (лишь один из 8-ми видов, т.н. панголин гигантский, достигает полутора метров, из которых половину составляет хвост; остальные размером с кошку). Его главная особенность – чешуя, покрывающая тело с ног до головы (только морда, брюхо и внутренняя поверхность ног не имеет этих твердых, как наши ногти, кератиновых чешуек). Это единственное в мире млекопитающее, покрытое чешуйками. Но хотя они его спасают от хищников, они же разжигают жадность браконьеров: килограмм этих чешуек стоит на китайском рынке около 3 тысяч долларов, поскольку они, якобы, излечивают от паралича и нагноений, а также стимулируют лактацию у рожениц.

О чудесах панголиньей биологии можно рассказывать еще долго, но я ограничусь чешуйками, потому что недавно в научной печати появилась статья группы ученых, впервые расшифровавших геном панголинов (последний нерасшифрованный у млекопитающих). И эта расшифровка привела авторов к поразительному выводу. Когда они сравнили гены панголинов с генами их сородичей – а панголины, как оказалось, родственны гиенам и волкам, - то увидели, что у них почти отмерли гены, связанные с зубами, со зрением, а главное – с интерфероном, который у сородичей защищает от инфекций и воспалений. Зато приобрели они – за 80 млн лет эволюции – гены кератина, превратившие волосы их шерсти в чешуйки. Поэтому авторы полагают, что чешуя панголинов заменила им интерферон, переняв на себя функцию частичной защиты от внешних инфекций.

Такой вот Превосходный Панголин.

Рафаил Нудельман
"Окна", 3.11.2016