Forståelse af bakteriemotorer kan føre til mere effektive nanomaskiner
En forskergruppe ledet af professor emeritus Michio Homma (han, ham) og professor Seiji Kojima (han, ham) fra Graduate School of Science ved Nagoya University, i samarbejde med Osaka University og Nagahama Institute of Bio-Science and Technology, har lavet ny indsigt i, hvordan bevægelse opstår i bakterier.
Gruppen identificerede FliG-molekylet i flagellaget, bakteriernes "motor", og afslørede dets rolle i organismen. Disse resultater foreslår måder, hvorpå fremtidige ingeniører kan bygge nanomaskiner med fuld kontrol over deres bevægelser. De offentliggjorde undersøgelsen i iScience .
Efterhånden som nanomaskiner bliver mindre, henter forskere inspiration fra mikroskopiske organismer for at få dem til at bevæge sig og fungere. Især flagelmotoren kan rotere med uret og mod uret med en hastighed på 20.000 rpm. Hvis den opskaleres, ville den kunne sammenlignes med en Formel 1-motor med en energiomdannelseseffektivitet på næsten 100 % og kapacitet til at ændre sin rotationsretning øjeblikkeligt ved høje hastigheder. Skulle ingeniører være i stand til at udvikle en enhed som en flagelmotor, ville det radikalt øge nanomaskiners manøvredygtighed og effektivitet.
Flagelmotorerne i bakterier har en rotor og en stationær komponent, der omgiver den, kendt som statoren. Hvis flagellen var en del af en bil, ville statoren være motoren. Statorens rotation overføres til rotoren som et tandhjul, hvilket får rotoren til at rotere. Afhængigt af rotationen bevæger bakterien sig frem eller tilbage, som en automatisk bil med bakgear og køreindstillinger. Et proteinkompleks kaldet C-ringen styrer denne bevægelse.
Inde i C-ringen fungerer FliG-molekylet som koblingen og skifter fra fremadgående til bagudgående bevægelse. Som en bil skal delene arbejde sammen. Den mindste ændring kan påvirke motoren. I flagelmotoren er disse små ændringer mutationer. Hommas gruppe studerede G215A-mutanten i FliG, som forårsager permanent rotation af motoren med uret, og sammenlignede den med den ikke-muterede form, der kan bevæge sig i både fremad- og bagudgående retning.
Da de testede G215A-mutanten af den marine organisme Vibrio alginolyticus, fandt de ud af, at denne bevægelse med uret var på grund af ændringer i FliG og interaktionen mellem vandmolekyler omkring proteinet. De så også disse ændringer i normal form, når den drejede med uret. Disse adskilte sig dog fra dem, man så, når den drejede mod uret.
"Flagelmotoren roterer i begge retninger:med uret for at bevæge sig bagud og mod uret for at bevæge sig fremad," sagde Homma. "I denne undersøgelse fandt vi ud af, at strukturen af FliG og interaktionen af vandmolekyler omkring den er anderledes, når motoren bevæger sig med uret og mod uret. Denne forskel gør det muligt for bakterier øjeblikkeligt at skifte mellem fremadgående og bagudgående bevægelser som reaktion på miljøændringer."
"Afklaringen af de fysiske egenskaber af FliG-proteinet i motorer er et væsentligt gennembrud i vores forståelse af den molekylære mekanisme, der skifter motorernes rotationsretning, hvilket foreslår måder at skabe kompakte motorer med højere energikonverteringseffektivitet," sagde Homma. "Ved at bruge disse resultater vil det være muligt at designe kunstige nanomaskiner, der frit kan styre deres rotation, hvilket forventes at blive anvendt på forskellige fremtidige områder såsom medicin og design af kunstigt liv."
Flere oplysninger: Tatsuro Nishikino et al., Ændringer i det hydrofobe netværk af FliGMC-domænet inducerer rotationsskift af flagelmotoren, iScience (2023). DOI:10.1016/j.isci.2023.107320
Journaloplysninger: iScience
Leveret af Nagoya University
Varme artikler
-
Menneskeskabte syntetiske porer efterligner vigtige træk ved naturlige porerDisse er atomkraftmikroskopibilleder af kunstige ionkanaler skabt af videnskabsmænd. Billederne er af samme prøve, med stigende forstørrelse. Kredit:Bing Gong, Universitetet i Buffalo Inspireret a -
Ny slags smartglas skifter farve og producerer elektricitetKredit: ACS Nano , DOI:10.1021/acsnano.5b00706 (Phys.org)-Et team af forskere, der arbejder ved Georgia Institute of Technology, har udviklet en type smartglas, der ikke kun ændrer farve, men ska -
Forskere efterligner flyveøje for at producere superhydrofobe anti-dug-nanostrukturerKredit: Lille , DOI:10.1002/smll.201400516 (Phys.org) —Forskere, der arbejder ved University of Wollongongs Institute for Superconducting and Electronic Materials i Australien, sammen med flere k -
Overraskende ion- og flowadfærd med funktionaliserede nanokanaler(venstre) Skematisk over det PE-børste-podede nanokanalsystem. (højre) Flowvending med påført elektrisk feltstyrke. Kredit:T.H. Pial et al., ACS Nano , 2021, DOI:10.1021/acsnano.0c09248 Nanokana
- For folk, der stammer, bekvemmeligheden ved stemmeassistentteknologi er stadig uden for rækkevidde
- Hjemmelavet energi får boost til at gå mainstream
- Perceptions of Science in America:Takeaways for Your SciComm
- Quasiparticles eksperimentelt vist at forstyrre for første gang
- Ingeniører gør et gyldent gennembrud for at forbedre elektroniske enheder
- Miniaturiserede ultrasmå platincylindre svækkes, når deres bestanddele reduceres i antal