Живая клетка может рассматриваться как фабрика, где белковые машины отвечают за различные процессы, такие как транспортировка материала внутри клетки или операции с другими макромолекулами, такими как ДНК. Их работа обычно подпитывается молекулами АТФ, основным переносчиком энергии в биологических клетках. Химическая энергия, полученная в результате гидролиза АТФ, используется белковой машиной для циклического изменения своей формы и, таким образом, для выполнения определенной функции. Следовательно, разрешение функциональных конформационных изменений в белках является серьезной проблемой, имеющей фундаментальное значение для понимания и управления биологическими одномолекулярными двигателями и машинами.
Сложность взаимодействий между атомами в белковой машине настолько высока, что даже лучшие в мире суперкомпьютеры не могут воспроизвести хотя бы один из их рабочих циклов. В этой обзорной статье, однако, показано, что существенные аспекты работы таких природных наноустройств могут быть раскрыты уже при изучении очень простых механических моделей белков, т. е. при рассмотрении таких макромолекул как упругих сетей, полученных путем соединения частиц набором упругие пружины.
Авторы, профессор Александр Михайлов и доцент Хольгер Флехсиг из Института нанобиологии Канадзавского университета в Японии, утверждают, что эластичные сети, соответствующие белковым машинам с функциональной динамикой, обладают особыми свойствами, возникшими в процессе биологического эволюция. Несмотря на кажущуюся сложность, внутренние движения в таких системах протекают упорядоченно, как бы направляясь по скрытым рельсовым путям. Таким образом, молекулярная машина ведет себя подобно макроскопическим механическим устройствам с хорошо скоординированными движениями их частей. Это гарантирует, что клеточная фабрика может надежно функционировать, несмотря на сильные колебания, присутствующие в наномасштабах.
Используя этот подход, можно было выполнить моделирование, охватывающее целые рабочие циклы, и, таким образом, получить первые молекулярные фильмы белковых машин. В оригинальной публикации 2010 года авторы показали, как геликазный двигательный белок вируса гепатита С - основная часть механизма его репликации и важная фармакологическая мишень для противовирусных препаратов - активно перемещается по ДНК и механически расстегивает ее.
Искусственные белковоподобные структуры с машинными свойствами, кроме того, могут быть созданы с помощью компьютерной эволюции эластичных сетей.
Эта обзорная статья представляет собой новый взгляд на понимание сложного механизма биологических клеток. Это также прокладывает путь к новым подходам к разработке искусственных наномашин - задача с большим потенциалом для будущих биотехнологических приложений.