/

Nano Formuła 1
– czyli o komórkowych wyścigówkach

mgr Alicja Nowakowska
mgr Alicja Nowakowska 31 Mar, 6 minut czytania

 

Świat w nano skali przypomina obcą planetę z filmu science-fiction. Charakteryzuje się niezwykle trudnymi warunkami podobnymi do ciągłego huraganu czy tornada. Mimo tego, nanomaszyny codziennie przemierzają kilometry w naszych komórkach, by zapewnić nam zdrowie. Wciąż jednak nie rozumiemy, jak dokładnie one działają.

 

Pierwsze wyścigi nanomaszyn zostały zaaranżowane przez ewolucję biliony lat temu, gdy ludzkość jeszcze nawet nie była w planach. Dziś odbywają się codziennie z naszym udziałem, w każdej z 75 trylionów komórek znajdujących się w człowieku. Plany biowyścigówek odczytywane są z sekwencji DNA, a powstające maszyny składają się głównie z atomów węgla, wodoru, tlenu, siarki oraz azotu, czyli zasadniczo z tych samych składników, co ukochana przez wielu pizza. Podobnie jak w motoryzacji istnieje bardzo wiele modeli nanomaszyn w zależności od roli jaką muszą wypełnić. Ta konstrukcyjna złożoność, połączona z niezwykle niesprzyjającymi warunkami nanoskali, czyni nanomaszyny wielką zagadką. Nie jest jednak żadną tajemnicą, że aby odmienić oblicze współczesnej medycyny, musimy ją rozgryźć co do atomu.

 

Komórki dają w kość

Z definicji nanomaszyny to obiekty wykonujące czynności mechaniczne w nanoskali. Koncepcyjnie niewiele się różnią od aut. Tak jak i one posiadają silnik, przekształcający różne formy energii w pracę mechaniczną związaną z ruchem. Niemniej jednak, porównywanie współczesnych samochodów do nanomaszyn, to jak porównywanie malucha do krzyżówki Formuły 1 i dżipa terenowego. Choć oba się poruszają, mają zupełnie inną prędkość i wytrzymałość.

Biologiczne nanomaszyny codziennie działają w bardzo trudnym środowisku, czyli komórkach od których są 1000-krotnie mniejsze. Ich główną rolą jest zapewnienie sprawnego transportu kluczowego dla istnienia życia. Biorąc pod uwagę różnicę skali, to tak, jakby zarządzać logistyką największego budynku świata poruszając się w małym autku dla dzieci. Choć i to już brzmi jak spora trudność, to dopiero zasady panującego tu ruchu drogowego są ostatecznym dowodem na ekstrawagancję natury. Ze względu na tak mały rozmiar, na poziomie nanomaszyn grawitacja nie żadnego znaczenia. Na dodatek naturalnym stanem każdego obiektu nie jest spoczynek, lecz ciągły chaotyczny ruch. Takie nieustające i nieskoordynowane poruszanie się cząsteczek – efekt posiadania energii i wpadania na siebie nawzajem – w naszych „normalnych” warunkach jest bardzo znikome w porównaniu do innych sił i stąd nieistotne. W nanoskali jednak odgrywa ono kluczową rolę. W rzeczywistości wszelkie ukierunkowane przemieszczanie się w tym środowisku jest niczym próba przedarcia się przez huragan, który nie pozostawia nam żadnego innego wyboru jak tylko poddania się mu. Na szczęście dla nas ewolucja jest silniejsza niż najgorszy huragan.

 

https://miro.medium.com/max/1400/1*huqOSbNEPBODZuwYzq8j4g.png

Wnętrze komórki, czyli dom nanomaszyn, jest bardzo tłoczne i bioróżnorodne. Przecinające je długie mikrotubule oraz podobne struktury tworzą szkielet komórki (grafika David S. Goodsell http://pdb101.rcsb.org/sci-art/goodsell-gallery/biosites-cytoplasm)

 

Transformers

Jednym z przykładów nanomaszyn jest kinezyna – poważny zawodnik Nano Formuły 1 – zdolny nie tylko ,,chodzić”, ale właściwie ,,biegać”. Podczas jednego swojego sprintu po mikrotubuli — fragmencie szkieletu komórki, który działa niczym sieć torów wyścigowych dla tych nanomaszyn – jest w stanie pokonać dystans kilku mikrometrów w zaledwie kilka sekund. Biorąc pod uwagę jej skromny rozmiar — 10 nm, to tak, jakby człowiek poruszał się z prędkością kilkuset kilometrów na godzinę! Na dodatek kinezyna często robi to z obciążeniem kilkudziesięciokrotnie większym od niej samej ze względu na swoją transportową rolę w komórce. Aby móc spełniać swoje zadania to fascynujące białko ma ,,ręce”, w których trzyma ładunek (np. mitochondrium — fabrykę energii, którą trzeba przemieścić) oraz ,,nogi”, które stawia jedna za drugą niczym linoskoczek. Jak każda inna maszyna działa na paliwo, którym w komórce są cząsteczki ATP produkowane z jedzenia. ATP przyczepia się do kinezyny i sprawia, że białko potrafi zmienić swój kształt, tak by postawić kolejny ,,krok”.

Mimo że mechanizm przemieszczania się kinezyny z pozoru wydaje się być bardzo prostym, w rzeczywistości jest zagadką dla wielu naukowców. Tłok i wszechobecne zderzenia to dwa przymioty doskonale opisujące wnętrze komórki. Takie warunki są niezbędne z punktu widzenia procesów kluczowych dla istnienia życia, gdyż to one umożliwiają częste interakcje międzycząstkowe, prowadzące do istotnych reakcji chemicznych. Niemniej jednak dla poruszającej się kinezyny środowisko tego rodzaju to spora trudność. Podczas jej sprintu po mikrotubuli jest nieustannie atakowana przez dziki tłum składający się z licznych organelli, czyli wyspecjalizowanych struktur takich jak np. mitochondria oraz innych makromolekuł, takich jak np. białka czy cukry. Przy tak licznych i gwałtownych atakach energia pozyskiwana z ATP jest bardzo skromna i niewyobrażalnym jest poruszanie się tylko dzięki niej. To tak jakby próbować ścigać się w tornadzie mając do dyspozycji jedynie dziecinną hulajnogę. Dlatego też przypuszcza się, że nanomaszyny, takie jak kinezyna, potrafią wykorzystać chaotyczny ruch wewnątrzkomórkowy na swoją korzyść. Kiedy jedno z ,,odnóży” białka łapie cząsteczkę ATP, drugie odrywa się od powierzchni i do pewnego stopnia swobodnie dryfuje, pozwalając, by uderzenia innych molekuł pchnęły je do przodu. Jednocześnie kinezyna zabezpiecza się przeciwko zderzeniom cząsteczkowym mogącym pchnąć ją do tyłu usztywniając niektóre fragmenty swojej struktury po złapaniu ATP. Tak nowatorskie rozwiązanie jest dziś nieosiągalne dla nanotechnologii stworzonej przez człowieka, lecz dla ewolucji to banał wykorzystywany w mięśniach, neuronach, a nawet w komórkach roślin.

 

https://miro.medium.com/max/1400/1*Sg_8X-D8BCQXaqFm5GqPog.jpeg

Kinezyna poruszająca się po mikrotubuli — fragmencie szkieletu komórki (grafika z filmu The Inner Life of the Cell produkcji XVIVO z roku 2006, https://www.youtube.com/watch?v=B_zD3NxSsD8&t=121s)

 

 

 

 

 

 

Dopiero się uczymy

Nie ulega wątpliwości, że nasza wiedza na temat nanorozwiązań stale się poszerza, a to za sprawą jej możliwych licznych zastosowań. Jednym ze szczególnie interesujących kierunków badawczych nanotechnologii jest zmiana sposobu dostarczania leku do patologicznego obszaru. Dla pacjentów onkologicznych, którzy często borykają się z problemem skutków ubocznych chemioterapii, precyzyjne podanie leku w komórki nowotworowe jest kluczowe. Zastosowanie nanomaszyn poruszających się tylko w określonym kierunku (np. wyznaczonym przez pole magnetyczne) mogłoby polepszyć efektywność tej i innych terapii. Jednakże zanim wkroczymy w nową erę takich innowacji, trzeba jeszcze sporo poczekać. Nanosystemy są niezmiernie wrażliwe na wszelką drobną zmianę, czy to w temperaturze, czy wilgotności powietrza, a to połączone z trudnością wykrywania tak małych zjawisk, czyni eksperymenty w laboratorium niezwykle skomplikowanymi.

Niemniej jednak już dziś wiele się nauczyliśmy, co pokazali choćby badacze w Tuluzie w 2017 roku podczas międzynarodowego wyścigu nanoaut, które poruszały się wykorzystując pole elektryczne. Ten niewidzialny rajd można było obserwować na żywo dzięki specjalnemu mikroskopowi — jednemu z kilku na świecie wśród tych zdolnych do wykrywania elementów tego rozmiaru. Nie wszystkie drużyny były w stanie dotrzeć do mety, lecz te które dały radę, dokonały naprawdę imponującego wyczynu. Najszybsze wyścigówki potrzebowały kilku godzin, by pokonać dystans, który kinezyna pokonuje w sekundę. Ten wynik może wydawać się rozczarowującym, lecz musimy mieć na uwadze, że nanomotoryzacja tworzona przez człowieka jest dopiero kilkunastoletnią dyscypliną — w jej wieku auta, dziś tak powszechnie używane, też jeszcze nie zrewolucjonizowały świata.

 

https://miro.medium.com/max/1400/1*5w-wvk9YY022bxfwUf_yxw.jpeg

Nanoauta zbudowane są głównie z atomów węgla i wodoru. Podczas wyścigu poruszają się po powierzchniach ze złota lub srebra często używając mechanizmu podobnego do działania koła (Nanocar Race https://nanocar-race.cnrs.fr/indexEnglish.php)

 

Homo Sapiens kontra Ewolucja

Nasze możliwości tworzenia najbardziej fantazyjnych kształtów i innowacji niewątpliwie są przewagą jakiej nie miała ewolucja. Zmuszona do przestrzegania zasady, że drobne modyfikacje są najlepsze i najbezpieczniejsze, stworzyła prosty zestaw narzędzi, z którego zbudowane jest całe życie. Jednakże, by w pełni z niego korzystać musimy jeszcze się wiele dowiedzieć. Kto wie, może za kilkadziesiąt lat (nano)świat stanie dla nas w pełni otworem, a jedyne co nas będzie ograniczać w jego pełnym wykorzystaniu, to nasza wyobraźnia.

 

Referencje:

  1. How to build and race a fast nanocar, Grant J. Simpson, Víctor García-López, Philipp Petermeier, Leonhard Grill & James M. Tour, Nature Nanotechnology volume 12, pages 604–606(2017) https://www.nature.com/articles/nnano.2017.137
  2. The Nanomedicine Revolution Part 1: Emerging Concepts, C. Lee Ventola, MS, P T. 2012 Sep;37(9): 512-517, 525. PMCID: PMC3462600 PMID: 23066345https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3462600/
  3. Just a minute: incredible numbers at play at the macro and micro level, Biji T. Kurien, CMAJ.2004 Dec 7; 171(12): 1497. doi: 10.1503/cmaj.1040579,https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC534598/
  4. Bionanotechnology lessons from nature, David S. Goodsell, A JOHN WILEY & SONS, INC.,PUBLICATION, 2004 by Wiley-Liss, Inc., Hoboken, New Jersey
  5. B10NU3R5, The database of useful biological numbers, Kinesin motor protein lengthhttps://bionumbers.hms.harvard.edu/bionumber.aspx?s=n&v=1&id=109238
  6. The distance that kinesin-1 holds its cargo from the microtubule surface measured byfluorescence interference contrast microscopy, Jacob Kerssemakers, Jonathon Howard,
  7. Henry Hess, and Stefan Diez, PNAS October 24, 2006 103 (43) 15812-15817; https://doi.org/10.1073/pnas.0510400103, https://www.pnas.org/content/103/43/15812
  8. The Way Things Move: Looking Under the Hood of Molecular Motor Proteins Ronald D.Vale1,*, Ronald A. Milligan2 Science 07 Apr 2000
  9. An introduction to ratchets in chemistry and biology, B. Lau, O.. Kedem, J. Schwabacher, D.Kwasniewski, E. A. Weiss, Mater. Horiz. 2017,4, 310-318

 

 


Fakty i Mity Genetyki tworzone są przez pasjonatów, specjalistów w swoich dziedzinach.
Ten artykuł czytasz za darmo, bez reklam, bez spamu. Doceń naszą pracę i postaw nam wirtualną kawę 🙂
Dziękujemy! – Wasza Redakcja FiMG

Postaw mi kawę na buycoffee.to


Podziel się: