Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса * – част I

1. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса* –част I Милена Соколова, ф.н. 23298 *Mavroidis, C., Yarmush, M., Dubey, A., Thornton, A.,Nikitczuk, K., Tomassone, S., Papadimitrakopoulos, F., Yurke, B.PROTEIN BASED NANO-MACHINES FOR SPACE APPLICATIONS, NASA Institute for Advanced Concepts, Phase I NIAC Grant, 2002

2. Белтъци Строеж • Белтъците заемат ключово място сред веществата, свързани с живота - или поне с този тип живот, който познаваме. • В изграждането на белтъците участват 20 вида алфа-аминокиселини:

3. Белтъци Строеж • Белтъците са полимери на алфа-аминокиселините. Това са съединения, в които към един и същ въглероден атом са присъединени аминогрупа и карбоксилна група. Общата им формула е следната: H2N – CHR – COOH Тук R е т. нар. радикал или странична верига – част от молекулата, по която отделните аминокиселини се отличават една от друга.

4. Белтъци Функции • Механична функция. Белтъците изграждат нишки, които служат като опори на клетката и тъканите (цитоскелет, нуклеоскелет, извънклетъчен матрикс). Освен това пак чрез белтъци се осъществява активно движение на някои от тези нишки. • Катализа. Реакциите в организма се контролират чрез ензими (белтъци-катализатори). • Мембранен транспорт. В мембраните на клетката са "вградени" белтъци-преносители, които прехвърлят избрани молекули и йони през липидния двуслой. Така се определят химичният състав и електричните потенциали на клетката и всеки нейн отдел. • Специфично разпознаване на дадена молекула, свързване с нея и съответна реакция. Например в клетъчната мембрана има белтъци-рецептори, които приемат сигнали отвън и така служат за клетъчни "сетива". Някои от въпросните сигнали също са белтъци, например белтъчните хормони. Дори самата ДНК, за да работи правилно, се нуждае от регулаторни белтъци, които се свързват с нея и определят кога даден ген ще се презаписва и кога – не. • Поддържане на вътрешната среда. Тук можем да споменем например хемоглобина.

5. Белтъци • Белтъчната молекула се състои от една или няколко полипептидни вериги, които имат следния вид: Н– (–NН–СНR–СО–)n –ОН Аминокиселините са свързани помежду си с връзки между СО и NH. Този тип връзка, както и цялата група CO–NH, се нарича пептидна. В единия край има свободна (невключена в пептидна връзка) аминогрупа, а в другия - свободна карбоксилна група. Затова краищата се наричат съответно азотен (N–) и въглероден (С–). • Полипептидните вериги се получават чрез поликондензация на аминокиселините. Прибавянето на аминокиселина към синтезиращата се полипептидна верига може да се представи по следния начин: –NH–CHRn–COOH + H2N–CHRn+1–COOH –> –NH–CHRn–CO–NH–CHRn+1–COOH + H2O • Новата аминокиселина се свързва със своята аминогрупа към карбоксилната крайна група на пептида. Затова синтезата започва от азотния край – той е "началото" на веригата. Последен се синтезира въглеродният край, т.е. той е "краят".

6. Белтъци Стуктура на белтъчната молекула. Първична структура • Дължина на полипептидната верига (ППВ)– броят на съставните аминокиселинни остатъци е точно определен за всяка полипептидна верига. Най-често е между 100 и 150, но доста варира при веригите на различните белтъци. Най-малките полипептиди, заслужаващи името белтъци, са дълги около 60 остатъка, а най-големите надхвърлят 1500. • Състав на ППВ (видът на изграждащите я аминокиселинни остатъци) - Радикалът може да бъде водороден атом, въглеводороден остатък (мастен или ароматен), да включва хидроксилна група, допълнителна аминогрупа или карбоксилна група, да съдържа сяра и т. н. Ако в състава на веригата преобладават аминокиселини с радикали, съдържащи хидроксилни и амидни групи, белтъкът ще бъде хидрофилен и незареден. Ако има много аминокиселини с неполярни остатъци, целият белтък ще бъде хидрофобен и почти неразтворим във вода. При повече аминокиселини с допълнителни аминогрупи белтъкът ще бъде основен, при повече допълнителни карбоксилни групи - кисел. Белтък, богат на глицин, ще има гъвкава молекула. Пролинът, обратно, сковава веригата, защото пръстенът му с фиксираните си ъгли не позволява свободно въртене. Структурата може да се "втвърди" и от присъствието на няколко цистеина, ако техните сулфхидрилни (–SH) групи две по две се окислят до дисулфидни мостове –S–S–.

7. Белтъци Стуктура на белтъчната молекула. Първична структура • От значение е не само какви са съставните аминокиселинни остатъци, а и как са разположени. Например за да може един белтък да се включи в мембрана, той трябва не само да съдържа поне 20-ина аминокиселини с хидрофобни радикали, а и те да са разположени последователно. Полученият неполярен участък от веригата се настанява в липидния двуслой. Ако същите аминокиселини са разхвърляни равномерно из целия белтък, няма да свършат работа. • Броят, видът и подреждането на аминокиселинните остатъци в полипептидната верига се наричат първична структура или аминокиселинна последователност на белтъка. Тя се задава еднозначно от ДНК.

8. Белтъци Стуктура на белтъчната молекула. Първична структура Б) Структурна формула А) Формула чрез трибуквени съкращения Съкратено представяне на първичната структура на двете вериги (А и В) на молекулата на хормона инсулин от човек в посока от N- към С-края. Инсулинът се състои от две вериги: верига А (21 остатъка) и верига В (30 остатъка). Две междуверижни дисулфидни връзки свързват тези вериги, а във верига А има вътрешноверижна дисулфидна връзка.

9. Белтъци Общи данни за пространствената структура • Колкото и да е важна, първичната структура сама по себе си не казва всичко за белтъка. Когато записваме аминокиселинната последователност на полипептидната верига, ние я опъваме като ред от текст. В действителност полипептидите са нагънати в пространството по начин, който е от изклютително значение за функцията им. • Когато се разглежда пространствената структура на дадена молекула, използват се два термина - конфигурация и конформация. • Конфигурацията е пространствена структура, основана на "фиксирани" химични връзки, които не могат да се въртят свободно. Когато в химията се говори за пространствена изомерия, обикновено се имат предвид конфигурации - две или повече точно определени структури, които преминават една в друга рядко и със значителен разход на енергия. В полипептидната верига такава изомерия е възможна само при пролиновите остатъци заради пръстенния им строеж. • Конформациите, обратно, са структури, които се получават чрез свободно въртене около прости връзки. Броят им е неограничен. Преходите от един вариант в друг са много чести и за тях е достатъчна енергията на топлинното движение на атомите. Ако можехме да видим такава молекула, очертанията й щяха да бъдат замъглени от непрекъснатите конформационни преходи.

10. Белтъци Вторична структура • Когато се разглежда пространствената структура на белтъците, следва да се започне с поведението на "скелета" на полипептидната верига. Поради своите силно полярни връзки пептидните групи са доста "общителни". Две пептидни групи могат да образуват водородна връзка, като водородният атом от едната се свърже с кислородния атом от другата: > N – H :::: O = C < • В такива взаимодействия обикновено са въвлечени множество пептидни групи от една молекула. Това принуждава някои участъци от белтъка трайно да заемат дадена конформация, благоприятна за образуването на водородни връзки. Тя се получава, като някаква подходяща извивка се повтаря неколкократно по дължината на засегнатия участък. Такова закономерно периодично нагъване на полипептидната верига, основано на водородни връзки между пептидните групи, се нарича вторична структура.

11. Белтъци Вторична структура • Алфа-спирала – участващите пептидни групи трябва да са на известно разстояние една от друга. Веригата не може да се огъне толкова рязко, че да позволи свързване на две съседни пептидни групи. Всъщност, ако вземем H-атома на произволна пептидна група, то най-близкият O-атом, с който той може удобно да образува водородна връзка, принадлежи на четвъртия аминокиселинен остатък (броено назад по веригата). Ако цяла поредица от аминокиселинни остатъци се свържат така по системата "всеки с четвъртия", получава се спирала, наречена алфа-спирала. Алфа-спиралата е много по-ъглеста от това, което обикновено си представяме под спирала. Не бива да се забравя, че в органичните молекули връзките сключват определени ъгли, така че дори и най-опънатата полипептидна верига ще бъде зигзаговидна. Когато този зигзаг се увие спирално, получава се начупена линия. Пример за алфа-спирала е молекулата на миоглобина. Миоглобинът се съдържа в мускулните влакна и свързва кислород, който после се използва при работата им. Той е необичаен с това, че почти целият се състои от алфа-спирали. При повечето белтъци алфа-спиралите не заемат толкова голяма част от молекулата

12. Белтъци Вторична структура • Бета-лист (бета-слой) – полипептидната верига е опъната в даден свой участък, след това завива на 180 градуса и отново се опъва. Получават се две успоредни сближени отсечки, между които могат да се образуват много водородни връзки. Ако веригата се извие още веднъж, може да се оформи трети такъв участък, който да се свърже с втория и т. н. Отсечките се разполагат в една равнина, ако не броим това, че зигзагът на полипептидната верига придава на плоскостта леко "гофриран" вид. Имуноглобулините (антителата) имат стукура на бета-лист. Бета-листът има и друг вариант: веригата между отделните отсечки вместо на 180 градуса да завива на 360 градуса, описвайки широка дъга. Този "паралелен" бета-лист се среща по-рядко от "антипаралелния":

13. Белтъци Третична структура • Алфа-спиралите и бета-листовете не изчерпват пространствения строеж на белтъчната молекула. Участъците от полипептида, които са извън вторичната структура, по правило са гъвкави. Те изпълняват в полипептидната верига ролята на стави, като позволяват различни взаимни положения на спиралите и листовете. В действителност те се извиват така, че да позволят на радикалите да образуват възможно най-много връзки помежду си и с разтворителя. Това допълнително нагъване на полипептидната верига, основано на взаимодействия на радикалите, се наричатретична структура. За много белтъци тя е "окончателната" структура, т.е. видът, в който те се намират в организма и функционират. • Докато първичната структура се поддържа само от пептидни връзки, а вторичната - от водородни, то третичната включва: дисулфидни, йонни, водородни, Вандервалсови и хидрофобни връзки между радикалите. • Третичната структура на по-малките белтъци обикновено се свежда до нагъване, сближаващо няколкото им алфа-спирали или/и бета-листа в кълбо. То е доста плътно – във вътрешността му няма място за водни молекули. По-дългите полипептидни вериги често се нагъват така, че да се получат две или повече такива кълба, свързани с къси разгънати участъци. Всяко топчесто образувание от описания тип се нарича домейн (от англ. domain – владение, област). Всъщност домейнът може да бъде не само част от белтъчна молекула, а и цялостна молекула.

14. Белтъци Четвъртична структура • Свързването на отделни полипептиди в комплекс, който функционира като едно цяло, се нарича четвъртична структура. • Субединиците се свързват помежду си не случайно, а специфично. Те се "разпознават" помежду си благодарение на това, че някои техни повърхности имат пространствено сродство една към друга. Понякога субединиците са еднакви, понякога - различни. Някои полипептидни вериги могат да участват в четвъртична структура с различни "партньори" според случая. • Четвъртичната структура се основава на същите взаимодействия между радикалите като третичната: йонни, водородни, Вандервалсови, хидрофобни, а при белтъците извън цитоплазмата – и дисулфидни мостове. • Най-известният пример за четвъртична структура е хемоглобинът. Той е комплекс от 4 субединици, които са еднакви две по две. Функцията на хемоглобина – ефективното свързване на кислорода в белите дробове и освобождаването му в тъканите, се дължи на леки размествания на четирите субединици една спрямо друга.

15. Нанотехнологии • Област от приложниете науки, която покрива широк диапазон от теми, но основната обединяваща тема е контрол над веществото на микроскопично ниво при размери по-малки от 1 микрометър, както и създаването на устройства на такова ниво съизмерими с размера на атомите и молекулите. • Един нанометър представлява една милиардна от метъра, което е около 1/80 000 от диаметъра на човешкия косъм или 10 пъти от диаметъра на водородния атом. Въглеродна нанотръба

16. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса Основна цел • Разработване на революционни машини с биомолекулярни компоненти, които да формират наномашини с много степени на свобода, които да могат да прилгат сила и да манипулират върху обекти в наносвета, да пренасят информация от нано към макро света и да могат да се движат в наносреда. • Очаква се тези машини да бъдат високоефективни, икономични при масовата им употреба, да работят под минимална супервизия и да могат да се контролират. • Визията за тези ултра миниатюрни роботи и наномашини е да бъдат биомолекулярен електромеханичничен механизъм за бъдещите мисии в космоса.

17. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса Задачи • Да се идентифицират протеини, които да бъдат използвани като мотори при нано/макро машините и механизмите. Фокусът е върху механичните възможности на някои вирусни протеини за отваряне и затваряне, зависещи от pH нивото на средата. По този начин може да се получи нов, линеен биомолекулярен акуатор, които се нарича “вирусен белтъчен линеен мотор” (Viral Protein Linear motor - VPL). • Да се разработи концепция за бионаносензори, използвайки стуктурата на естествените сензорни протеини, наречени heat shock фактори (Heat Shock Factor - HSF), заедно с ДНК и оптични фибри. Притежавайки толкова малки размери и имайки възможност за саморепликация на място (in situ), тези сензори ще са много икономични за пътуване на дълги разстояния и за проникване в най-тесни пространства или места с химически елементи, къде има опасност за живота на хората. Те също ще са полезни при разпознаването на живи форми на други планети, което се дължи на тяхната способност за точното измерване на влага и други животоподдържащи елементи. Ще могат да измерват и температура. • Разрабоване на динамични модели и реалистични симулации/анимации за точното предсказване на действието на предложените VPL мотори.

18. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса Задачи • Провеждане на серии от биомолекулярни експерименти за демонстриране на предложената концепция на VPL моторите. • Изучаване на взаимодействието на предложените протеинови мотори и сензори с други биомолекулярни компоненти като ДНК връзки и въглеродни неогъваеми нанотръби, така че този комплекс да послужи за създаването на машини и роботи с много степени на свобода. Нанороботът се прикрепя към клетката и вкарва лекарство за “поправяне” или унищожаване на зар4азената клетка. Наноробот в кръвоносен съд, намиращ инфектирана клетка.

19. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса Изоплзване на бионаномашини за колонизация в космоса • Разработването на компоненти от биологични стуктури за направата на наонороботи е първата стъпка за изследване в настоящия проект. След като това бъде направено трябва да се разбере тяхното “поведение” и това как да бъдат контролирани. • Вече се произвеждат ДНК и въглеродни нанотръби в много форми за построяване на подобни сложни устройства. Такива структури могат да складират протеини като родопсин и бактериородпосин. Те се намират в биологичните системи и служат като сензори за улавяне на светлина. Тези протеини могат да бъдат използвани като колектори на слънчева светлина, чиято енергия да се използва за по-нанатъшен период или да се усвоява веднага от други системи. Мотори, прикачени към такива стуктури, като протеина АТФ-аза, ще използват тази енергия за движение на устройството. Сензори като heat shock фактори, прикачени към такива структури, ще се активират когато е необходимо и ще се изполват като планетарни сонди, събиращи необходимата информация.

20. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса Изоплзване на бионаномашини за колонизация в космоса • Следващата стъпка е да се обединят многото компоненти в направата на бионанороботи: Изглед на примерен наноорганизъм: тялото е изградено от въглеродни нанотръби; крайниците са изградени от пептиди, които могат да служат за движение и за манипулирана с обекти и глава с биомолекулярен мотор, който да се движи в различни среди. • Бионанороботите ще имат мобилни характеристики, които ще позволяват придвижването както на самите тях, така и на други обекти до желаната дестинация. Някои роботи ще произвеждат елементи и структури от наличните ресурси на място (in situ), докато други ще ги поправят . Ще има и такива роботи, които не само ще извършват физическа работа, но и ще могат да разпознават средата и да реагират адекватно на нея. Ще има системи, които ще долавят липсата на кислород и други, които ще генерират кислород, създавайки среда с устойчива хомеостаза.

21. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса Изоплзване на бионаномашини за колонизация в космоса • Повечето от тези роботи ще бъдат направени от основните елементи на живота и ще могат да се самореплицират и така да увеличават броя си. В последствие те ще могат да създават нови форми на живот, най-вероятно биологични системи, като растения например, които един ден ще поддържат човешкия живот на отдалечени планети. Възможностите на тези роботи за репликация и мутация в разнообразни структури ще бъде особено полезно за откриване и създаване на по-издръжливи материали и екзотични химични вещества с уникални възможности. • Изпращането на тези роботи при космичеси изследвания и колонизацията им е финалната стъпка. Когато настъпи моментът за такива мисии , ще има електронни, изчислителни и механични бионанороботи. Те първоначално ще изследват средата и ще предоставят обратна връзка за текущото състояние. Тези роботи ще вземат проби от средата и ще ги анализират, изпращайки тази информация на макро света. Ще има възможност за измерване на планетите на различни фактори като температура, киселинност, наличие на въздух и вода.

22. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса Изоплзване на бионаномашини за колонизация в космоса • По този начин нанороботите ще започнат да колонизират и построяват един нов свят, в който някой ден нашата цивилизация може да процъфтява. Самореплициращите се роботи, които ще могат да усвояват местните материали и енергия ще изградят космически хабитати, направени изцяло от далечно разстояние. Друга част от роботите ще поддържат живота чрез доставяне на подходящата енергия, необходима за други системи или органични организми. Компютри, акуатори и сензори с наноразмери ще позволяват роботите да поправят повредени части на съществуващи структури като стени, транспортни механизми и дори космически костюми.

23. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса Произход на биомолекулярните наноустройства • В макросвета под “мотор” се разбира машина, която придава движения на даден обект, свързана с превъщане на енергия от един вид в друг. • Биомолекулярените мотори са високоефективни, могат да се самореплицират, по-евтини са при масова употреба и се срещат в говото състояние в природата. Някои ензими като кинезин, РНК полимераза, миозин и АТФ-синтаза функционират като линейни или роторни бионаномотори. АТФ-азен мотор • Това е най-често срещаният роторен мотор при живите форми – АТФ-синтаза. Жизненоважният процес за клетките – окислително фосфорилиране е доказан още преди около 60 години като процес, чрез който телата ни улавят енергията от хранителните вещества, които приемаме. Схематично представяне на F1-АТФ-аза биомолекулярено моторно захранвано наномеханично устройство, направено от Carlo Montemagnoи неговата група от учени. Устройството се състои от Ni подпора (А) с височина 200 nm и диаметър 80 nm, F1-АТФ-азен биомолекуляренмотор (B) и наноперка (C) с дължина 750 до 1400 nm и диаметър 150 nm. Устройството (D) е сглобено използвайки последователно добавяне на предходните компоненти и допълнителни свързващи елементи.

24. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса Произход на биомолекулярните наноустройства Кинезин и миозин • Моторните протеини са малки преносвачи на молекулярни товари във вътрешността на клетката. Тези клетъчни “машини” съществуват в три фамилии – кинезини, миозини и динеини. Има над 250 вида кинезин-подобни протеина, които участват в разнообразни процеси като движението на хромозомите и динамиката в клетъчните мембрани. Кинезинът и миозинът са два вида моторни протеини, които използват енергията освободена от АТФ и са отговорни за мотилитета. Молекулярните мотори, които движат еднопосочно протеиновите полимери (актин или микротубули) задвижват мускулите, а също и по-малки интрацелуларни “товари”. Миозинът е мотор, базиран на актина, докато конвенционалният кинезин транспортира мембраните органели в микротубулите. Конвенционалният кинезин може да премине стотици стъпки в микротубула без да се откъсне, докато мускулният миозин може да изпълни единично движение и след това се дисоциира. Камшичести мотори • Escherichia coliе едноклетъчен организъм, който се среща в червата при човека. Тя притежава набор от роторни мотори, които са само 45 nm в диаметър. Всеки мотор задвижва дълга, тънка спираловидна нишка, която се простира по дължината на няколко човешки клетки. Съгласуваното движение на няколко камшичета позволява плуването на клетката. Клетката може да се движи в региони, които са по-благоприятни чрез измерване промените в концентрациите на определени вещества в средата (предимно нутриенти), след което модулира ротацията на своите камшичета.

25. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса Произход на биомолекулярните наноустройства Камшичести мотори • Камшичето е органел, който се състои от три части. Има основно тяло, състоящо се от реверсивен роторен мотор, закрепен в стената на клетката, започващ от цитоплазмата и завъщваш от външната стена на мембраната. Има къса проксимална извивка (кука), която е подвижна съединяваща връзка. Има също и дълга спираловидна нишка, която е витло. Усукването се генерира между статора, свързан неподвижно към клетъчната стена (пептидогликан) и ротора, свързан с камшичестата нишка. Моторът се задвижва от протони, движещи се от външната страна към вътрешната страна на клетката. В тази ситема специализирани моторни протеини се свързват към малки контейнери, запълнени с протеини и ги транспортират към скелета на клетката

26. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса Произход на биомолекулярните наноустройства Други мотори и механизми • Правят се опити за създаване на синтетични молекулярни мотори. Структурата на АТФ-синтазата – лост, който се върти във вътрешността на статично колело, позволява ротаксанът да се разглежда като потенциален участник при създаването на изкуствен модел на биологичните мотори. Ротаксанът е органично съединение, състоящо се от дъмбеловиден компонент, който включва едно или повече места за разпознаване в своята пръчковидна секция и завършва с огромни стопери . Дъмбеловидният компонент е заобиколен от един или повече пръстеновидни компоненти. Предлага се възможността за произвеждане на специфични форми на ротаксан и създаване на молекулярни мотори, способни на насочено еднопосочно ротационно движение и възможността за снабдяване с енергия на такъв мотор от светлината, електрони или химическа енергия. ДНК базирани молекулярни наномашини, свързвания и акуатори • Сравнена с протеиновата структура ДНК е малка, проста, хомогенна с добре позната структура и функция. Предсказуемата самосглобяваща се структура на двойната спирала на ДНК я прави привлекателен кандидат за изобретяване на наноструктури. Правени са математически анализи на еластичната структура на ДНК, използвайки методи за минимализиране на енергията, за изпробване на нейната молекулярна стабилност. Наблюдаван е метод за локализиран елемент-специфичен контрол на движенията на обратима промяна между 4-стоящите топоизомерични ДНК мотиви, които продуцират ротационно движение.

27. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса Произход на биомолекулярните наноустройства Наносензори • Технологията за създаване на наносензори може да бъде разделена на два класа – разработване на наноустройства , които да “улавят” средата/процесите в тази скала и разработване на сензори, който са в наноскалата или са съставени от наночастици и са способни да работят от далечно разстояние. Що се отнася до първия клас, създадени са силиконови сонди с едиостенни въглеродни нанотръби. Що се отнася до разработването на наноустройства с възможност за отдалечено улавяне, отговор и изпращане на сигнали, то тепърва има да се изучават доста неща. Параметрите, които трябва да се измерват са температура, киселинност, влажност, електрическа зареденост, химическа концентрация, радиация и др. С увеличаващите се заплахи от биологични оръжия нуждата да има миниатюрни устройства, които да реагират на такива замърсявания и да изпращат предупредителни сигнали, става все по-голяма. • Сензори за светлина могат да бъдат направени като се използват определени фоточувствителни полипептиди, съдържащи азобензенови или спиропиранови части, които да “отговорят” на светлина или тъмнина чрез конформационни промени (например от произволна в алфа-спираловидна структура). • Оптична ДНК биосензорна платформа е направена чрез използване на снопове от гравирани оптични нишки, запълнени с олигонуклеотидни функционални микросферични проби в Tufts University. • Чрез ДНК биосензорен масив е възможно да се направи анализ на генната експресия или да се определят свързаните с някои заболявания участъци от ДНК. Работи се върху изграждането на сензори, които да бъдат имплантирани в човешкия мозък и да прогнозират възможността за удар и да се използват за периоперативно онлайн мониториране при коронарни байпас операции.

28. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса Системни концепции и архитектури VPL мотори. Видове • В този проект фокусът е поставен върху механичните възможности на вирусните протеини да преминават между две конформационни състояния в зависимост от киселиността на средата. За целта е създаден нов линеен акуаторен тип, наречен VPL(Viral Protein Linear) мотор. • Известни са ролите на гликопротеините по повърхността на редица ретровируси за целите на мембранното сливане, чрез което вирусите “заразяват” клетките. При процеса на мембранното сливане има отделни конформационни промени в пептида на повърхността на вируса, сякаш той се подготвя за инфектирането на клетката. Тази промяна се дължи на промяната в киселиността, свързана с близостта на клетката. Тези конформационни промени могат да бъдат използвани за създаване на VPL мотори, имитирайки подобни условия на средата. • За целта на проекта са подбрани няколко вирусни пептиди: 1) The Influenza virus protein Hemagglutinin (HA) peptide HA2 2) The Human Immunodeficiency Virus type 1 (HIV 1) peptide gp41 3) The Human Respiratory Syncytial Virus (HRSV) protein subunit F1 4) The Simian Immunodeficiency Virus (SIV) protein gp41 5) The Human T cell Leukemia virus type 1, protein gp21 6) The Simian Parainfluenza Virus peptide unit SV5 7) Ebola virus protein gp2

29. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса Системни концепции и архитектури VPL мотори. Видове • Всеки един от тези вируси може да се превърне в различен VPL мотор, който да има различни характеристики като тегло, обем, степен на движение, сила и скоростни възможности. Изследвания са показали, че общите характеристики при тези вируси са резултат от количеството на повърхностните протеини (гликопротеин) и начина на заразяване. Например, в случая на HIV 1 прекурсорният гликопротеин е gp160, който е протеолитично разделен на два участъка – p 120 (повърхностен участък) и gp41 (трансмембранен участък). Повърхностният участък служи за разпознаване на клетката, когато тя попадне в обсега на вируса и която ще бъде инфектирана с помощта на рецепторите, разположени по повърхността й. Gp41служи за сливането на вируса с клетъчната мембрана. Установено е, че gp41 и коренспондиращите повърхностни участъци при други споменати по-горе вируси спомагат за алфа-спиралната конформация на пептидите, когато вирусът е в неговата активна форма. Структурата наподобява фиба, състояща се от три намотавания, имаща един въглероден край и един амино край. Въглеродните участъци се свързват по антипаралелен начин около три хидрофобни амино края. Тази нагъната структура претърпява конформационна промяна, индуцирана от умерената киселинна среда (около 5 pH). Тази промяна е задължителна за мембранното сливане и заразяването на клетката от вируса. С промяната на pH, амино краищата бързо “излизат” от вътрешната страна и пептидът придобива опъната форма.

30. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса Системни концепции и архитектури VPL мотори. Видове • Схематично представяне на VPL мотор, подкрепящ движеща се платформа. На лявата фигура моторът е предстаен в неговата първоначална фаза, която съответства на нативното състояние на вируса, а на дясната фигура – активната фаза на вируса: VPL акуаторът се опъва, което се оразява на насоченото нагоре движение на платформата. Трите титинови нишки също действат като отблъскващи елементи, когато се опънат. Тяхното еластично поведение може да бъде използвано като елемент на пасивен контрол или като компенсираща сила, която може да върне платформата в първоначална позиция. Титинови нишки могат да се използват като пасивни отблъскващи елементи и да формират единична степен на свобода на паралелната платформа, която е задвижвана от вирусния протеинов ленеен акуатор (център).

31. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса Системни концепции и архитектури VPL мотори. Видове • Сравнени с други биомолекулярни нанороботи, като например тези на мускулния миозин, които могат да развият мощност около 5 pNVPL моторите са много по-мощни акуатори (акуаторната мощност е около 21 pN). За да се увеличи мощността на VPL моторите , няколко VPL акуаторни елемента могат да бъдат прикачени паралелно:

32. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса Системни концепции и архитектури Heat Shock фактор/ДНК базирани оптични бионаносензори • Системата за клетъчна защита (Heat Shock Factor)действа като предпазва клетката от топлинни удари, а също и от тежки метали, етанол и много заболявания. Най-срещаният начин за активиране на топлинния шоков отговор са повишената температура и оксидативния стрес. Чрез изследвания е открито, че максималната активация на пречистения, деактивиран Heat Shock фактор (HSF) достига при шоковата температура 43оС и съответно неговата активацията намалява при температура над или под 43оС. Открито е също, че HSF реагира директно на O2-, но не и на водороден пероксид или на хидроксилни радикали. Установено е също, че Mg2+действат индиректно на HSF чрез стимулиране производството на O2-. Супероксидният анион (O2-) се произвежда при частична кислородна депривация или по време на възстановяване от аноксия (липса на кислород в тъканите), която се появява при реперфузия след исхемия. HSF диаграма – нагъванията на индивидуални спирали в тримера.

33. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса Системни концепции и архитектури Heat Shock фактор/ДНК базирани оптични бионаносензори • След като HSF мономерите са стимулирани и са претърпели молекулярни преобразувания, тези тримери свързват ДНК. Транскрипционната активация обаче не е необходима последователност за ДНК свързването. Ако активацията и свързването на HSF с ДНК може да бъде контролирано, то съединяването на HSF с нишковидни оптични фибри на ДНК последователности може да доведе до създаването на сензор, който се активира от топлината или от други (по-горе опоментати) стимули и да предава сигнала във вид на светлинни потоци. Предложената в проекта ДНК биосензорна платформа съдържа оптични нишковидни снопчета, запълнени с олигонуклеотидни функциониращи микросферични проби. ДНК базирани роторни акуатори • Авторите на този проект разработват устройство за употреба на ДНК базирани изчисления, което да се използва като компонент на сложни молекулярни машини за приложения в космоса. В тези машини на бъдещето, едно от техническите предизвикателства ще бъде независимият контрол на индивидуалните машинни компоненти. Предложеният тук ДНК базиран акуатор се основава и контролира от ДНК хибридизацията, която няма да се отрази на отделните компоненти, освен на себе си и ще позволи акуаторът да бъде контролиран независимо от другите устройства. Този акуатор работи в четири стъпков цикъл и се поддържа от индуцирането на интерконверсията между два топографски мотива – паранемичното пресичане (paranemic crossover) на PX DNA с неговия топоизомер JX2 DNA. PX DNA.

34. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса Системни концепции и архитектури ДНК базирани роторни акуатори На фигурата са показани PX и JX2 мотиви (а) и инерконверсия между два мотива с ротация откъм по-ниския край (b).

35. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса Системни концепции и архитектури ДНК базирани роторни акуатори • Авторите на този проект планират да използват това движение за задвижване например на диск, който може да е част от мембрана или протеинова структура: Две ДНК двойнопресечени молекули, всяка от които може да се завърти предмет на 180о, произвеждайки комбинирана ротация на 360о.

36. Наномашини на основата на белтъци за приложения в космоса Системни концепции и архитектури Сложни устройства • Предложените бионаномашинни елементи ще се съединят с други елементи и ще формират бионаноустройства с много степени на свобода. Тези бионаноустойства ще бъдат използвани за позициониране на инструменти за HSF бионаносензори. Идеята е да се използват VPL мотори като акуатори за тези наноустройства, чиито структурни елементи ще се въглеродни нанотръби, а връзките ще се формират от подходящи ДНК елементи. Пример за такава бионаномашина. Тя има 3 степени на свобода и трикраки паралелни манипулатори. Горната и долната платформи са направени от въглеродни нанотръби. Те са свързани помежду си чрез 3 крачета, направени от VPL мотори. Взаимодействието на VPL моторите с всяка една от платформите от въглеродните нанотръби се осъществява чрез използването на ДНК базирани връзки.

37. Благодаря Ви за вниманието!