Вчені з'ясували, як молекулярні мотори досягають максимальної ефективності

Майже в кожній клітині людського тіла працює крихітний F1 мотор, який безперервно створює аденозинтрифосфат, універсальне джерело енергії для організму. Це речовина забезпечує майже кожну дію людини, від дихання до бігу. Хоча вчені роками розуміли структуру цієї молекулярної машини, одна ключова загадка залишалася нерозкритою: як її партнер, F0 мотор, обертає F1 з максимальною ефективністю?

АТФ-синтаза є ферментом, який каталізує утворення аденозинтрифосфату. Вона складається з моторів F0 та F1, які з'єднані між собою. Коли F0 обертається, він змушує центральний вал всередині F1 також обертатися. Проте деталі того, як саме F0 застосовує свою силу, залишалися невідомими.

Щоб розгадати цю таємницю, міжнародна команда дослідників ізолювала окремий F1 мотор з бактерій Bacillus і змусила його обертатися двома різними способами для виробництва аденозинтрифосфату. Спочатку вони застосували крутний, постійний зусилля, відомий як постійний крутний момент. Потім використали техніку, яку називають кутовим затискачем. Цей метод постійно вимірював положення мотора і миттєво коригував силу, щоб підтримувати його обертання з постійною швидкістю та кутом.

Порівняння двох методів виявило різку відмінність у продуктивності. Техніка кутового затискача виявилася найефективнішою, оскільки стабільний, безперервний рух усував марнування енергії. Підхід з постійним крутним моментом марнував енергію, тому що дозволяв мотору відчувати коливання та ривки. Команда підтвердила свої висновки за допомогою комп'ютерного моделювання на основі фізичних моделей мотора.

Вчені написали у своїй статті, опублікованій у журналі Physical Review Letters, що їхні експерименти в поєднанні з теорією та моделюванням вказують на те, що кутовий затискач значно пригнічує нерівноважні коливання, які сприяють марному розсіюванню вхідної роботи.

Результати дослідження виходять за межі лабораторної цікавості. Вивчення роботи F1 мотора може допомогти у розробці більш ефективних штучних наномашин та молекулярних моторів. Це означає, що мікроскопічні пристрої, які використовуються в застосуваннях від медицини до виробництва, можуть працювати на меншій кількості енергії та бути такими ж ефективними, як їхні біологічні аналоги.

Проте в дослідженні є важливе застереження. F1 мотор вивчався в лабораторних умовах, а не всередині живої клітини, тому експеримент міг не врахувати повну складність природної системи, де мотори взаємодіють з іншими компонентами. Крім того, підхід з кутовим затискачем не існує в природі, це була теоретична концепція. Незважаючи на це, дослідження забезпечує міцне розуміння фізики управління енергією на такому крихітному рівні.

Відкриття має важливе значення для розуміння фундаментальних принципів роботи біологічних систем на молекулярному рівні. F1 мотор є одним з найдрібніших та найефективніших двигунів у природі, і його вивчення може відкрити нові шляхи для створення штучних систем з подібною ефективністю.

Дослідники використали бактерії Bacillus як джерело F1 моторів для своїх експериментів. Ці бактерії є зручним модельним організмом для вивчення молекулярних механізмів, оскільки їхні клітинні структури добре вивчені та відносно прості для маніпуляцій в лабораторних умовах.

Техніка кутового затискача, яку використали вчені, є складним методом, що вимагає точного контролю та вимірювання на молекулярному рівні. Цей підхід дозволяє дослідникам точно контролювати обертання мотора та вимірювати його ефективність в режимі реального часу. Хоча така техніка не існує в природних біологічних системах, вона надає цінну інформацію про оптимальні умови роботи молекулярних моторів.

Комп'ютерне моделювання, яке використала команда для підтвердження своїх експериментальних результатів, базувалося на фізичних моделях мотора. Це дозволило дослідникам перевірити свої гіпотези та краще зрозуміти механізми, що лежать в основі ефективної роботи F1 мотора.

Розуміння того, як F0 мотор обертає F1 з максимальною ефективністю, має потенційні наслідки для багатьох галузей науки та технологій. У медицині це знання може допомогти в розробці нових методів лікування захворювань, пов'язаних з порушенням енергетичного обміну в клітинах. У нанотехнологіях воно може сприяти створенню більш ефективних молекулярних машин для різних застосувань.

Дослідження також підкреслює важливість розуміння нерівноважних процесів у біологічних системах. Нерівноважні коливання, які виявили вчені, є джерелом втрат енергії в системі. Пригнічення цих коливань за допомогою техніки кутового затискача дозволило значно підвищити ефективність мотора.

Хоча експерименти проводилися в лабораторних умовах, вони надають важливу інформацію про принципи роботи молекулярних моторів у живих клітинах. Природні системи, ймовірно, використовують подібні механізми для оптимізації ефективності своїх молекулярних машин, хоча точні деталі можуть відрізнятися.

Майбутні дослідження можуть зосередитися на вивченні роботи F1 мотора в більш природних умовах, всередині живих клітин, щоб краще зрозуміти, як він взаємодіє з іншими клітинними компонентами. Це може допомогти виявити додаткові механізми регуляції та оптимізації, які використовують живі організми.

Відкриття також має значення для фундаментальної фізики, оскільки воно демонструє, як принципи термодинаміки та механіки застосовуються на молекулярному рівні. Розуміння цих принципів може допомогти в розробці нових теоретичних моделей для опису поведінки молекулярних систем.