Микромир под микроскопом
Микромир под микроскопом
Ирина Соколова Опубликована сегодня в 9:17

Мотор размером с молекулу: бактерии показали, что инженерия — изобретение самой эволюции

Исследователи восстановили эволюцию молекулярных моторов бактерий — Каролина Пуэнте-Лелиевре

На протяжении миллиардов лет эволюция формировала удивительные механизмы, и один из древнейших — микроскопический "двигатель" бактерий. Исследователи из Оклендского университета (Новая Зеландия) смогли проследить, как возникли белковые структуры, приводящие в движение жгутики бактерий. Их работа раскрывает, как природа "изобрела" первый мотор задолго до человека.

Как природа создала двигатель

В бактериях жгутик — это миниатюрный пропеллер, вращающийся со скоростью сотен оборотов в секунду. Его приводят в действие особые белки — статоры, встроенные в клеточную стенку. Они превращают поток ионов в механическое вращение, буквально превращая электрохимическую энергию в движение.

Чтобы понять, как возник этот механизм, команда под руководством биолога Каролины Пуэнте-Лелиевре использовала алгоритм искусственного интеллекта AlphaFold — ту самую систему, за которую в 2024 году была присуждена Нобелевская премия. С помощью неё исследователи восстановили трёхмерную структуру древних белков и проанализировали более 200 бактериальных геномов.

Результатом стал своеобразный "родословный атлас" молекулярных моторов — эволюционное дерево, показывающее, как простейшие белки постепенно превратились в сложную систему движения.

"Мы буквально выключили двигатель, и бактерии перестали двигаться", — пояснила Пуэнте-Лелиевре.

Сравнение

Этап эволюции Основная функция Тип белков Пример современного представителя
Простейшие ионные переносчики Перемещение ионов через мембрану Канальные белки Древние археи
Первичные статорные структуры Формирование протонных потоков Mot-подобные белки Ранние бактерии
Современные статорные комплексы Преобразование энергии в крутящий момент MotA и MotB E. coli, Salmonella

Советы шаг за шагом: как учёные "собирали" эволюцию

  1. Сбор генетических данных. Учёные проанализировали сотни бактериальных геномов, чтобы выделить участки, связанные с движением.

  2. Моделирование структур. Алгоритм AlphaFold предсказал формы древних белков, сохранившихся в генетическом коде современных бактерий.

  3. Создание эволюционного дерева. На основе сходств и различий построили карту, показывающую, как усложнялась структура мотора.

  4. Генетические эксперименты. Исследователи "выключили" участок гена у E. coli, чтобы проверить роль конкретных белков. После этого бактерии полностью утратили подвижность.

  5. Сравнение с другими видами. Данные подтвердили, что принципы моторного движения едины у множества бактерий.

Ошибка-последствия-альтернатива

  • Ошибка: считать, что мотор бактерий появился "вдруг".
    Последствие: упрощённое понимание эволюции молекулярных систем.
    Альтернатива: признание постепенного усложнения от ионных каналов к полноценным моторным комплексам.

  • Ошибка: игнорировать роль энергетических потоков.
    Последствие: непонимание связи между химией и движением.
    Альтернатива: рассматривать поток ионов как универсальный источник энергии для биомеханических систем.

  • Ошибка: считать, что только позвоночные обладают "двигателями".
    Последствие: недооценка уровня организации микроорганизмов.
    Альтернатива: изучать бактерии как модели для будущих биомеханических технологий.

А что если…

А что если такие микродвигатели могут стать прототипом для нанороботов будущего? Учёные уже обсуждают возможность использовать принципы работы бактериальных жгутиков в медицине — например, для доставки лекарств прямо к клеткам опухолей.

А что если бактерии были первыми инженерами Вселенной? Ведь их "двигатели" работают по тем же физическим законам, что и человеческие машины — они преобразуют энергию в движение с высокой эффективностью.

А что если подобные механизмы существуют и у других форм жизни, например, в глубинах океана или на других планетах? Изучение древних белков может помочь понять, как возникла жизнь в целом.

Плюсы и минусы открытия

Плюсы Минусы
Раскрывает эволюцию молекулярных машин Требует дальнейших подтверждений в экспериментах
Демонстрирует применение ИИ в биологии Зависит от точности алгоритма AlphaFold
Объясняет принципы биомеханики Пока не ясно, как мотор возник впервые
Открывает путь к новым нанотехнологиям Ограничено изучением только бактериальных систем

FAQ

Что такое статорные белки?
Это белки, встроенные в мембрану бактерии. Они пропускают ионы и превращают их энергию в вращение жгутика.

Почему это открытие важно?
Оно показывает, что механизмы движения формировались задолго до сложных организмов, и даже простейшие клетки использовали энергию эффективно.

Какую роль сыграл искусственный интеллект?
AlphaFold позволил воссоздать 3D-структуру белков, существовавших миллиарды лет назад, что невозможно было сделать традиционными методами.

Можно ли использовать принципы бактериального мотора в инженерии?
Да, такие исследования вдохновляют разработчиков наномашин и искусственных биосенсоров.

Мифы и правда

  • Миф: микродвигатель бактерий — результат разумного замысла.
    Правда: механизм возник естественным путём, как следствие эволюции белков.

  • Миф: бактерии двигаются благодаря мускулам.
    Правда: движение обеспечивается вращением жгутика, управляемого потоками ионов.

  • Миф: у всех бактерий одинаковые моторы.
    Правда: у разных видов встречаются различные типы белков MotA и MotB, но принцип работы схож.

Исторический контекст

Интерес к бактериальному движению возник ещё в XIX веке, когда микроскописты впервые наблюдали подвижные клетки. Однако только в 1970-х учёные установили, что движение обеспечивается вращающимся жгутиком, а не волнообразными сокращениями.

В XXI веке развитие геномных технологий и ИИ позволило не только увидеть молекулярный мотор, но и проследить его происхождение. Исследования Каролины Пуэнте-Лелиевре и её команды стали важным шагом в понимании того, как простейшие белковые структуры превратились в одну из самых совершенных машин природы.

"Несмотря на миллиарды лет эволюции, принципы работы этих микроскопических моторов почти не изменились", — подчеркнул биофизик Мэтью Бейкер из Университета Нового Южного Уэльса.

Три интересных факта

  1. Жгутик бактерии вращается со скоростью до 1000 оборотов в секунду - быстрее, чем лопасти вертолёта.

  2. Эффективность бактериального мотора превышает 90%, что сопоставимо с лучшими инженерными турбинами.

  3. Учёные считают, что аналогичные принципы могут использоваться в будущих нанороботах для медицинских целей.

Подписывайтесь на NewsInfo.Ru

Читайте также

Комета 3I/ATLAS подтвердила природное происхождение по данным радиотелескопа MeerKAT — Ди-Джей Пизано сегодня в 8:28
“Она не из лаборатории, а из ледяной бездны”: загадочная комета прошла проверку на подлинность

Новые данные радиотелескопа MeerKAT подтвердили: загадочная 3I/ATLAS — не инопланетный зонд, а настоящая межзвёздная комета. Учёные раскрыли её химическую природу и значение для изучения других миров.

Читать полностью »
Астероид 2024 YR4 представляет потенциальную угрозу спутникам и лунным базам — Эндрю Ривкин сегодня в 7:28
Шанс один из двадцати пяти — и всё может кончиться кратером в километр: Луна готовится к испытанию

Учёные предупреждают: астероид 2024 YR4 может столкнуться с Луной в 2032 году. В феврале 2026 года телескоп "Джеймс Уэбб" получит последний шанс уточнить орбиту и дать человечеству время на действия.

Читать полностью »
Магнитная буря позволила наблюдать полярные сияния в средних широтах — Александр Мельников сегодня в 6:27
Космос вспыхнул — и Земля содрогнулась: магнитная буря достигла почти рекордных значений

В ночь на 12 ноября Землю накрыла одна из самых мощных магнитных бурь последних лет. Что происходит, чем опасно и почему это событие уникально.

Читать полностью »
Пещеры Марса показывают признаки эрозии, характерной для водных процессов — Джеймс Балдини сегодня в 5:27
Красная планета плакала — и под её слезами образовались пещеры: наука снова меняет версию

Учёные нашли на Марсе пещеры, сформированные водой, а не лавой. Что это значит для поиска жизни на Красной планете — гипотезы, аргументы и споры исследователей.

Читать полностью »
Осьминоги показали признаки коллективного поведения — профессор Тим Коулсон сегодня в 4:14
Когда Земля опустеет, кто займёт трон: ответ прячется под толщей воды

Что если после исчезновения людей разумный вид на Земле будет не из млекопитающих, а из глубин океана? Профессор Оксфорда уверен: ставка на осьминогов.

Читать полностью »
Учёные из Ноттингемского университета восстановили зубную эмаль белками сегодня в 3:22
Эмаль возвращается: британская технология обещает зубам второе рождение

Британские учёные создали белковую матрицу, которая восстанавливает зубную эмаль, имитируя природный процесс её роста. Узнай, как это работает и когда появится в клиниках.

Читать полностью »
Немецкие инженеры интегрировали квантовую оптику в микрочип — QUDORA Technologies сегодня в 2:11
Немцы поймали свет в клетку из нитрида — и начали новую эру вычислений

Немецкий проект SmaraQ превращает свет в управляемый поток на уровне нанометров, открывая дорогу к квантовым компьютерам нового поколения.

Читать полностью »
Арктический фитопланктон начал быстрее расти из-за азота — исследователи Polarstern сегодня в 1:51
Лёд трещит не зря: в недрах Арктики просыпается биологический двигатель планеты

Учёные обнаружили, что под арктическими льдами активно идёт фиксация азота — процесс, считавшийся невозможным. Что это меняет в понимании жизни океанов?

Читать полностью »