Большинство макроскопических технологий основывается на использовании жестких и прочных узлов, выполненных из металла, пластика или других материалов, которые сопротивляются деформациям. И уже потом, если для работы макромашины необходимы гибкие участки, то при конструировании в состав механизмов включаются шарниры, пружины или другие локально гибкие компоненты, которые соединены с жесткими деталями. Большинство молекулярных нанотехнологий, поскольку они исторически произошли из макротехнологий, используют такой же подход, в котором жесткие компоненты связаны между собой мобильными связями или шарнирами. Природные бионаномашины, сформированные в результате пяти миллиардов лет эволюции, напротив, исходно, первоначально, гибкие.
Гибкость и подвижность – это ключевое качество, которое закладывается в конструкцию биомолекул. Множество биологических процессов, которые осуществляют биомолекулы, и вчастности ферментативный катализ, происходят, когда биомолекулы находится в такой конформации, которая существенно отличается от равновесной с минимальной свободной энергией.
Бионаномашины по принципу конструкции скорее можно сравнить с резиновой шиной колеса автомобиля или с ювелирными бусами, чем с точно изготовленными макромеханизмами, в которых есть оси и подшипники. Гибкость является ценным качеством биомолекул, обеспечивающим "нежность" в функционировании и эластичность, которые и являются отличительным признаком живой жизни.
Биомолекулы используют гибкость на всех уровнях. На нижайшем, атомном, уровне в результатете пловых колебаний длина межатомных связей и углы между связями все время флуктуируют. Эти флуктуации могут играть решающую роль в химических реакциях, катализируемых ферментами. Временное ослабление химической связи вследствие, например, её растяжения в данный момент, ускоряет химическое преобразование, или небольшое искажение в данный момент угла между связями может облегчить переход к другой конформации молекулы. Движение боковых цепей, петель, или целых доменов на поверхности биомолекул активно используется в молекулярном узнавании. Такое "поведение" получило название "индуцированное соответствие", поскольку поверхность одной молекулы конформирует, "подстраивается" под топологию партнерской молекулы. Индуцированное соответствие позволяет связывающему центру буквально окружить, облечь, связываемый лиганд. Локальные изменения в расположении боковых цепей белковой нити могут увеличить связывание лиганда, а движение домена целиком может вообще окружить лиганд со всех сторон, отгораживая его от воды и погрузить его в полностью гидрофобную среду.
В стабильных глобулярных белках существует "дыхательное" движение, при котором все α-спирали и β-листы смещаются друг относительно друга постоянно разрывая и формируя водородные и другие связи. Такие дыхательные моды очень важны для, например, облегчения диффузии субстратов при их погружении в активные центры.
Многие белки состоят из нескольких относительно жестких доменов, которые соединены между собой гибкими линкерами. Эти белки изгибаются, и "открываются", и "закрываются" подобно раковинам моллюсков. Гибкие линкеры играют важную роль в функционировании мультидоменных белков, вчастности тех, которые задействованы в системах регуляции внутри клеточных процессов и в связывание с большимио бъектами. Например, многие молекулы иммунной системы состоят из нескольких связывающих доменов, которые соединены между собой гибкими линкерами. Две CD молекулы выходят за пределы поверхности клетки иммунной системы. Для эффективного связывания этих рецепторов с соответствующими эпитопами чужеродных клеток сами молекулы CD должны быть гибкими
Линкеры используются для присоединения специфических участков молекул к сигнальным элементам, которые в свою очередь взаимодействуют с соседними молекулами. Такие линкеры содержат специфические аминокислотные последовательности, обычно насыщенные глицином и пролином, что уменьшает вероятность фолдинг, а в стабильные глобулярные структуры. И, наконец, многокомпонентные ассоциаты могут "переключаться" между несколькими специфическими конформациями, каждая из которых имеет собственные функциональные свойства. В ферментах это называется аллостерической модификацией и широко используется для регуляции ферментов. Многокомпонентные белковые переключатели широко используются также в вирусах для переходов между компактными стабильными структурами, в которых вирусы существуют вне клетки и в которых происходит инфицирование клеток, и более открытыми структурами, которые принимают вирусы после проникновения в клетку. Движения, сопровождающие такие переключения, зачастую включают структурные переключения с участием доменов, соединенных гибкими линкерами, подобными переключателям, используемым в квазисимметричных ассоциатах. Биомолекулы могут "намеренно" повышать степень жесткости, чтобы снизить энтропию до уровня необходимого в процессе самоассемблирования или при функционировании.
Термостабильные белки создаются методом упрочнения их поверхности, фиксации поверхностных петель, то есть повышением степени жесткости (или снижением гибкости) поверхностных участков глобулы. Это приводит к ингибированию процесса расплетания белкового клубка.
Еще один яркий пример использования жестких структур – планарная пептидная связь между аминокислотами в полипептидной цепи. Жесткость пептидной связи в сочетании с определенным набором возможных взаимодействий, прилегающих к ней аминокислот ограничивает гибкость белковой цепи и делает энергетически выгодным только образование нескольких фиксированных вторичных структур, таких как α-спирали и β-листы. А это, в свою очередь, критически важно для реализации "правильного" фолдинга и ассемблирования белков, поскольку ограничивает число возможных конформаций этих сложныхмолекул.
Нити нуклеиновых кислот гораздо более гибкие по сравнению с белковыми нитями, но на формирование пространственной структуры нуклеиновых кислот оказывает большое влияние "стекинг" плоских нуклеиновых оснований. Именно сочетание стекинга нуклеиновых оснований с и специфическим спариванием (например, вуотсон-криковские пары) и ограничивает диапазон возможных конформаций нуклеиновой кислоты.
Гибкость при конструировании бионаномашин. Использование гибкости и подвижности на всех уровнях организации бионаномашин добавляет соответствующие многоуровневые движения в бионаномашине, как в системе. Это с одной стороны усложняет эту систему, но, с другой стороны, использование гибкости создает дополнительные возможности для оптимизации функций бионаномашины. Однако гибкость добавляет дополнительные проблемы при разработке бионаномашин. Разработчику необходимо кроме определения стабильной равновесной структуры молекулы предвидеть также и все типы дыхательных и изгибающих движений, и торсионных кручений молекулы. В тоже время эволюционный подход к такому конструированию (имеется ввиду естественный отбор) идеально приспособлен для решения такой конструкторской задачи. Небольшие модификации уже существующих структур внедряются шаг за шагом, что закрепляется в появляющихся оптимальных структурах. Таким методом можно создать даже такие биоструктуры, которые невозможно рассчитать заранее.
Биомолекулярная гибкость будет как порождать возможно самые трудноразрешимые проблемы, так и создавать потенциальные преимущества и перспективы в бионанотехнологии.