В каждой биологической клетке есть фермент, называемый АТФ-синтазой, который производит богатые энергией молекулы для питания клеточной активности. В новых экспериментах исследуется функционирование этой «энергетической фабрики» путём искусственного запуска одного из молекулярных моторов фермента. Результаты показывают, что поддержание фиксированной скорости вращения минимизирует потери энергии, вызванные микроскопическими флуктуациями. Будущие исследования могут подтвердить роль эффективности в эволюционном дизайне биологических моторов.
Структура и функционирование АТФ-синтазы
АТФ-синтаза состоит из двух вращающихся молекулярных моторов, Fo и F1, которые ориентированы вдоль общей оси вращения и скреплены вместе так, что вращение Fo создаёт крутящий момент на валу в середине F1. Это движение помогает объединить химические компоненты молекулы АТФ, которая накапливает энергию, используемую в клеточных процессах.
Исследователи определили атомные структуры моторов, но детали связи между Fo и F1 неясны. Fo встроен в мембрану. Протоны проходят через эту мембрану и приводят в движение вращение Fo, но непосредственное измерение крутящего момента Fo затруднено, поскольку для этого потребовалось бы воспроизвести мембрану и её химическую среду в контролируемых лабораторных условиях, говорит Сёити Тоябе из Университета Тохоку в Японии.
Экспериментальный подход
Тоябе и его коллеги разработали подход для преодоления этой проблемы. Они рассудили, что Fo может воздействовать на F1 по-разному, но эволюция будет способствовать более энергетически эффективному механизму привода. Чтобы изучить роль эффективности, команда заменила Fo искусственным мотором и использовала его для вращения F1 одним из двух способов: либо путём приложения постоянного крутящего момента, либо путём фиксации скорости вращения с переменным крутящим моментом.
Исследователи начали с выделения мотора F1 из бактерий Bacillus. Они закрепили внешнюю раму мотора на стеклянной пластине и прикрепили пару полистироловых шариков к валу F1 с помощью своего рода химического клея. Затем исследователи ввели набор электродов и подали переменное напряжение, которое заставило шарики вращать вал вокруг его оси, как это сделал бы Fo. Система была погружена в раствор, содержащий компоненты АТФ, чтобы мотор F1 выполнял ту же химическую сборку, что и в клетке.
Чтобы определить эффективность в каждом режиме, команда разделила выходную энергию — определённую по общему вращению вала F1 — на входную энергию, подаваемую электродами. Результаты показали, что режим с постоянным вращением был более эффективным, чем режим с постоянным крутящим моментом.
Объяснение результатов
Член команды Дэвид Сивак и его коллеги из Университета Саймона Фрейзера в Канаде смоделировали влияние флуктуаций на экспериментальную систему. Эти флуктуации происходят из-за случайных тепловых движений атомов и могут, например, подталкивать вращение или противодействовать ему. «Некоторые флуктуации вредят, а некоторые помогают, но сопротивление вредит больше, чем помогает помощь», — говорит Сивак. Он объясняет, что режим с постоянным вращением лучше балансирует положительные и отрицательные эффекты и поэтому более эффективен, чем режим с постоянным крутящим моментом.
Исследователи утверждают, что их работа подразумевает общий руководящий принцип для молекулярных машин: работа на постоянной скорости может подавлять эффект случайных флуктуаций и минимизировать потери энергии. Тоябе говорит, что аналогичный принцип применяется к макроскопическим моторам: «Часто говорят, что движение с постоянной скоростью — это самый эффективный способ управлять автомобилем, поскольку внезапное торможение или ускорение обычно требует дополнительной энергии».
Хотя режим с постоянным вращением имеет преимущества, неясно, что Fo использует эту стратегию. У мотора сложные взаимодействия с клеточным окружением, которые могут способствовать более сложному режиму привода. Исследователи говорят, что будущие эксперименты могут раскрыть новые подсказки об этом механическом поведении путём объединения Fo с F1 в контролируемых лабораторных условиях.
«Подход команды по изоляции и манипулированию механическим движением F1 элегантен, умён и высокоэффективен», — говорит биофизик Эдгар Рольдан из Международного центра теоретической физики в Италии. Он отмечает, что исследователи провели контрольный эксперимент, в котором искусственный мотор вращался свободно без прикрепления к F1. В этом случае, когда «биология» была удалена, механическая система не показала разницы в эффективности между двумя режимами привода. Таким образом, чувствительность к режимам привода может быть важным признаком биологической активности, говорит Рольдан.