Энергопитание бионаномашин. Множество желательных нанопроцессов не происходят спонтанно, и мы должны стимулировать их энергетически, чтобы эти процессы развивались в желательном для нас направлении. К счастью существует множество других высокоэнергетичных процессов, таких как

• разрыв химических связей;
• поглощение света;
• рекомбинация предварительно разделенных зарядов;

которые мы можем использовать в качестве доноров энергии для эндергонических процессов. В природных бионаномашинах можно найти множество примеров использования всех трёх "источников" дополнительной энергии – энергии химических связей, энергии света и электрической энергии двумя способами:

• чтобы активировать химические реакции;
• для стимуляции механического движения.

Живые клетки не пользуются теми способами утилизации энергии, которые использует человек. Человек обычно аккумулирует большое количество энергии, а затем использует этот запас. Примером такого подхода является двигатель автомобиля, в котором взрывное сгорание бензина является источником механического движения. Клетки не используют реакции, в которых выделяется много энергии, поскольку термическая энергия быстро рассеивается, и наносистема не успевает её использовать.

При этом следует помнить, что при необходимости тепло в большом количестве может продуцироваться живыми организмами, причём на уровне всего организма. Значительное тепловыделение происходит либо в результате механического трения при работе клеток мускулатуры, либо вследствие химических экзотермических реакций при интенсификации гидролиза молекул жиров. На клеточном уровне энергия выделяется небольшими порциями так, чтобы она могла быть контролируемо и эффективно использована.

Природные бионаномашины используют энергетическое сопряжение процессов. Две химические реакции могут быть сопряжены, и экзергоническая реакция будет стимулировать эндергоническую. Например, фермент пируват-киназа сопрягает реакции отщепления фосфат-группы от фосфоэнолпирувата (экзергоническая реакция) и присоединения этой фосфат-группы к АДФ (эндергоническая реакция).

Вторая реакция не происходит спонтанно, но, будучи сопряженной с первой, весь процесс может протекать самопроизвольно. Аналогично химические реакции могут быть сопряжены с электрическими процессами, или поглощение света может быть использовано для стимуляции химических реакций, или могут быть использованы другие комбинации процессов. Ключевым моментом здесь является перенос энергии на нанорасстояния.

Функциональная роль топливных молекул в биосистемах. Один из наиболее общих подходов для активации химической реакции, который используется в природных системах, состоит в сопряжении эндергонической реакции с другой экзергонической реакцией. Такое сопряжение можно осуществить двумя путями.

• Можно для каждого случая искать свою, уникальную комбинацию сопрягаемых реакций.
• Или же можно создать некоторую общую "топливную" молекулу, которую затем и сопрягать к любой активируемой реакции.

 Второй подход является наиболее широко используемым в клетках. Конечно, необходимо разработать механизм синтеза таких топливных молекул, равно как и разработать методы для включения этих молекул в различные реакции, что усложняет задачу. Однако существенным преимуществом второго подхода все же остается его универсальность, позволяющая реализовать модульность проектируемых систем.

Все топливные молекулы, которые используются в клетке, имеют схожее строение. В их состав входят два обязательных компонента:

• переносящая энергию функциональная группа;
• некоторый молекулярный кронштейн, который является, как правило, стандартным биомономером.

Энергонасыщенная (топливная) функциональная группа находится в химически нестабильном (метастабильном) состоянии. Существует множество известных молекул, которые могут быть нестабильными, и которые можно использовать для запасания энергии. Например, ацетилен имеет нестабильную углерод-углеродную тройную связь, которая при соединении с кислородом разрывается, что проявляется в пламени ацетиленовых горелок. Тринитротолуол и нитроглицерин имеют атомы азота и кислорода, находящиеся в метастабильном равновесии (уравновешенные) рядом с атомами углерода и водорода. Резкое встряхивание приводит к перестановке атомов в более стабильное газовое облако смеси азота, углекислого газа и водных паров. Эти молекулы сложно синтезировать, но легко разрушить. Биологические топливные молекулы клетки не являются такими "экстремальными". Метастабильность биологических топливных молекул достигается двумя способами:

• они помещены в энергетически невыгодное окружение,
• они содержат атомы, "замороженные" в метастабильном состоянии.

И хотя сформировать такие напряжённые связи не просто, но при их разрыве та энергия, которая выделяется, может быть использована для активации других процессов. Те молекулярные кронштейны (стыковочные узлы), к которым присоединены такие метастабильные резервуары энергии, устроены таким образом, чтобы их могли легко распознать те бионаномашины, которые используют топливные молекулы.

Молекулы ацетилена или ТНТ не имеют таких кронштейнов, поэтому они годятся только для высвобождения энергии в объём реакционной системы. Биомолекулярные топливные молекулы, напротив, имеют разнообразные кронштейны, построенные из органических молекул, которые позволяют использовать это топливо по одной молекуле за раз. Эти кронштейны содержат, как правило, много атомов кислорода и азота, что позволяет наномашинам использовать систему специфических водородных связей для распознавания этих кронштейнов.

АТФ (аденозинтрифосфат) является самой распространенной биологической топливной молекулой

Существует несколько способов получения АТФ, например, при гликолизе в процессах субстратного фосфорилирования и окислительного фосфорилирования, или при поглощении света при фотосинтезе. А затем уже гидролиз молекулы АТФ используется для энергетической подпитки энергозависимых биомолекулярных процессов. АТФ используется для стимуляции энергетически невыгодных химических преобразований, а также во множестве механических процессов, где необходимо изменить конформацию или местоположение молекулы. Адениновое кольцо обеспечивает возможность распознавания аденозинового кронштейна АТФ. Ферменты распознают АТФ используя и геометрическую, и химическую комплементарность. Обычно адениновое кольцо связывается в глубоком плоском кармане, который соответствует плоскому кольцу.