Нанотехнология стремится освоить синтез таких экзотических материалов, как алмазы или углеродные нанотрубки. При этом ошибочным будет представлять себе, что для манипулирования и обработки материалов в наномире достаточно просто соответствующим образом уменьшить макромашины и станки и получить наномашины и нанороботы, которые даже в наномасштабах собраны из традиционных, привычных для нас по макромиру материалов таких, как металл, стекло и пластмассы. Природные материалы построены с использованием иного подхода, нежели материалы, используемые в макро-технологиях. Поскольку организмы постоянно изменяются, растут и реагируют на изменения в окружающей среде, то биоматериалы являются динамическими структурами. Они синтезируются для выполнения определённой функции, а затем быстро дизассемблируются. Некоторые клеточные структуры сохраняются в клетке только одну секунду, после чего они модифицируются. Даже в наиболее стабильных биоструктурах, таких как, например, кости, постоянно происходят процессы репарации и перестройки. Только ограниченное число биоструктур такие, как кости, раковины моллюсков и шерсть, можно использовать после смерти организма, однако примечательно, что именно их человек использовал для своих нужд с самого начала истории промышленной технологии.

Спиральное ассемблирование биоматериалов. Ассемблирование биологических филаментов программируется соответствующим дизайном интерфейсных областей на поверхности белков-мономеров. Использование самоассоциирующихся глобулярных белков для образования филаментов имеет несколько преимуществ. Поскольку филаменты собираются из множества модулярных структур, то они представляют собой своеобразный каркас (scaffold), к которому могут присоединяться другие структуры. Филаменты устроены так, что они могут быть быстро собраны и разобраны, позволяя быстро реагировать на изменение потребности в филаментах. Поскольку взаимодействие между модулями филаментов происходит через интерфейсные область на поверхности, то можно управлять процессом ассемблирования филаментов, изменяя эти интерфейсные области посредством присоединения лигандов, ионов или других белков. Спиралеобразные белковые филаменты обнаружены во всех природных объектах, они являются одними из наиболее распространённых белковых объектов в клетках. Разрабатывая необходимым образом соответствующие интерфейсные "стыковочные" области самоассемблирования каждой индивидуальной субъединицы, можно сформировать филаменты произвольной формы. Если "стыковочные" области располагаются на противоположных концах субъединицы, то ассемблирование субъединиц формирует тонкий филамент, в котором модули располагаются подобно бусинкам в нитке бус. Если интерфейсы ассоциации слегка сдвинуты, несимметричны, то образуются спиральные структуры. Если же существуют дополнительные стыковочные сайты по бокам субъединиц, то из таких спиралей образуются прочные цилиндры.

Модульные филаменты: а – актиновая нить, б – микротрубочка, в – промежуточный филамент, г – коллаген

Актин – наиболее распространенный филаментообразующий белок в клетке – может существовать в виде мономера (G-актин, глобулярный актин) или полимера (F-актин, фибриллярный актин). Из актина формируется большинство структур цитоскелета и большая часть инфраструктуры, которая обеспечивает подвижность клетки. Ассоциация актина в филамент приводит к образованию протяжённой спиральной структуры с несимметричными концами. G-актин – асимметричный глобулярный белок (42 кДа), состоящий из двух доменов (каждый из которых состоит из двух субдоменов). По мере повышения ионной силы G-актин обратимо агрегирует, образуя линейный скрученный в спираль полимер, F-актин. Молекула G-актина несёт прочно связанную молекулу АТФ, которая при переходе в F-актин, 324 медленно гидролизуется до АДФ, т. е. F-актин проявляет свойства АТФазы.

Количество мономеров и полимеров различным образом зависит от концентрации актина в клетке. С увеличением концентрации актина в клетке, начиная с некоторого критического значения CC » 1,0 mМ, начинается полимеризация F-актина. При полимеризации G-актина в F-актин ориентация всех мономеров одинакова, поэтому F-актин обладает полярностью. Волокна F-актина имеют два конца: (+) и (–), которые полимеризуются с различной скоростью, поскольку имеют различную критическую концентрацию: » 1,0 + CC mМ, » 6,0 - CC mМ. Поэтому, при полимеризации (+)-конец растёт со скоростью в 5–10 раз большей, чем (–)-конец, что приводит к векторному росту филамента.

Полимеризация актина: а – рост (+)-конца; б – рост (–)-конца; в – течение филамента; 1 – кэпирующий белок

Актиновые филаменты чрезвычайно динамичны в живой клетке, они постоянно ассемблируются и дизассемблируются в зависимости от потребностей клетки. Рост каждого филамента регулируется связыванием АТФ, который стимулирует рост, и набором обслуживающих белков, которые стабилизируют или разъединяют филаменты. Динамическая структура актиновых филаментов в сочетании с их векторной структурой, при которой два конца структуры неэквивалентны, обусловило появление необычного их свойства, которое называется течение филаментов (эффект бегущей дорожки). Эффект течения филаментов состоит в том, что субъединицы постоянно диссоциируют с запаздывающего конца филамента и присоединяются (реассемблируют) на растущем конце филамента. В результате, филамент, оставаясь приблизительно неизменной длины, "движется" относительно окружения. Эффект течения филаментов используется клеткой как часть аппарата, обеспечивающего клеточную подвижность.

Микротрубочки представляют собой пример более жёсткого цилиндрического дизайна. Они построены из глобулярного белка тубулина, представляющего собой димер a- и b-субъединиц.

Строение микротрубочек: а – гетеродимер тубулина; б – цилиндрический полимер; в – "упаковка" протофиламентов; 1 – ГТФ (GTP); 2 – молекула таксола (taxol); 3 – ГДФ (GDP); 4 – протофиламент; 5–7 – одинарные, двойные и тройные микротрубочки a,b-Гетеродимеры тубулинов образуют линейные цепочки, называемые протофиламентами. Тринадцать протофиламентов образуют циклический комплекс. Затем кольца полимеризуются в длинную трубку. Микротрубочки ресничек и жгутиков имеют дублетную структуру, а базального тела и центриолей – триплетную. Микротрубочки "толще" актиновых филаментов. Они имеют диаметр порядка 25 нм и полый канал вдоль оси трубочки диаметром около 14 нм. Как и микрофиламенты, микротрубочки представляют собой динамические полярные структуры с (+)- и (–)-концами. (–)-Конец стабилизирован за счет связывания с центросомой (центр организации микротрубочек или клеточный центр), в то время как для (+)-конца характерна динамическая нестабильность. Он может либо медленно расти, либо быстро укорачиваться. Так же, как и актиновые нити, микротрубочки являются динамическими структурами, в которых состояние каждой субъединицы, как свободной, так и входящей в состав микротрубочки, контролируется состоянием связанной с ней молекулы ГТФ.

Микротрубочки демонстрируют интересный эффект, который называют динамической нестабильностью. Микротрубочка удлиняется по мере присоединения субъединиц к растущему концу, и, внезапно, этот растущий конец начинает "растрёпываться", и микротрубочка распадается на субъединицы. Благодаря такому свойству микротрубочки постоянно растут, но для стабилизации их структуры необходимы специфические стабилизирующие белки. Микротрубочки выполняют важную функцию "рельсов", по которым моторные белки динеины и кинезины перемещают "грузы" в клетке. Наиболее впечатляющими "грузами" являются целые хромосомы, которые транспортируются вдоль митотического аппарата, состоящего из микротрубочек, от "экватора" делящейся клетки к клеточным полюсам в процессе клеточного деления.

Если клетке необходимы прочные и долговечные структуры, то в этом случае используются фибриллярные белки. Такие фибриллы тоже имеют модульную структуру, но комбинация перекрестных линков между субфибриллами и способа соединения модулей "внахлестку" формирует структуры, которые устойчивы к дизассемблированию. Характерными представителями такого способа организации фибриллярных структур в высших организмах являются промежуточные филаменты и коллаген. Промежуточные филаменты (названные так, поскольку их диаметр больше, чем у актиновых нитей, но меньше, чем у микротрубочек) образуются из вытянутых белковых мономеров, которые расположены внахлёст друг другу вдоль филамента, что обеспечивает сильное взаимодействие вдоль всей длины. Тело мономера белка образуется двумя белковыми цепями, которые свернуты в a-спирали, которые затем закручены друг относительно друга, образуя так называемый мотив "скрученная спираль". Такие димеры ассоциируют антипараллельно, образуя тетрамер. Глобулярные домены на концах белковых модулей формируют видимые узлы на промежуточных филаментах. Агрегация тетрамеров по принципу "голова к голове" дает протофиламент. Жгут протофиламентов образует промежуточное волокно. В отличие от микрофиламентов и микротрубочек свободные мономеры промежуточных волокон едва ли встречаются в цитоплазме. Их полимеризация ведет к образованию устойчивых неполярных полимерных молекул. Промежуточные филаменты используются для связывания ключевых структур в клетке, формируя нежёсткую сеть в цитоплазме и прочный многослойный каркас ядерный ламин за ядерной мембраной внутри клеточного ядра. Подобным же образом белок кератин формирует кератиновые филаменты, которые обеспечивают прочность волос и ногтей. В кератиновых филаментах дополнительная прочность обеспечивается формированием дисульфидных мостиков между цистеинами белков.Функциональные принципы биомолекулярной сенсорики. Особенности светосенсорики.