Ученые создали самостоятельно текущую жидкость

Движение кинезина по микротрубочке.

Wikipedia Commons

Группа ученых из Брандейского университета и Технологического института Джорджии разработала прототип «умной» жидкости, которая может двигаться самостоятельно, без приложения внешних усилий. Механизм работы системы аналогичен тому, как живые клетки изменяют свою форму и адаптируются к окружающей среде. Статья, посвященная исследованию, опубликована в журнале Science, кратко о ней рассказывается в пресс-релизе Брандейского университета.

Законы гидродинамики говорят нам о том, что обычная жидкость будет течь только в ответ на приложенную внешнюю силу или при наличии градиента напряжений и давления. Иначе дело обстоит в живых организмах, где течения могут возникать в отсутствие каких-либо внешне наложенных сил, например эндоплазматические потоки, за счет взаимодействия различных элементов, составляющих организм (начиная с молекулярных моторов и заканчивая субклеточными органеллами, клетками и тканями). Эти процессы исследователи попытались воспроизвести в лабораторных условиях при помощи водного раствора, который содержал микротрубочки, извлеченные из мозга коровы, и молекулы кинезина и аденозинтрифосфата (АТФ). Механизм «перекачки» в такой системе заключается в действии молекулярного мотора — молекулы белка кинезина, которая соединяет микротрубочки и движется вдоль них, используя АТФ в качестве источника топлива. Движение возникающих потоков отслеживалось при помощи 3-миллиметровых частиц полистирола.

 

Выяснилось, что пучки микротрубочек образуют самоперестраивающуюся трехмерную изотропную сеть, при этом они циклически растягивались, изгибались, сжимались и росли. Такая динамика эффективно управляет потоком жидкости, в которой находится сеть — стационарные самоподдерживающиеся турбулентные потоки наблюдались в ней долгое время — до 10 часов. Потоки возникали даже при малых концентрациях, когда сеть микротрубочек занимала 0,05% от всего объема раствора. При таких низких концентрациях сеть имеет очень большой размер пор (~ 10 мм) и ее можно изучать при помощи методов оптической микроскопии.

 

Кроме того, было обнаружено, что в растворе формируются круговые потоки, которые позволяют транспортировать вещества на макроскопические расстояния. Потоки действовали в течение нескольких часов и прекращались только после истощения доступного источника энергии (АТФ). Они получили обозначение самоорганизованных когерентных потоков. Наблюдались такие потоки не только в системах с простой геометрией (тор), но и в лабиринтах, включающих в себя замкнутую петлю и множество тупиковых ветвей, при этом они не зависят от размеров системы. В результате получена самоорганизующаяся система, которая за счет коллективной работы нанометровых «двигателей» совершает полезную работу по перекачке жидкости.


Теперь ученые хотят более подробно разобраться в физике процессов, происходящих в таких системах — это не только поможет использовать их в человеческой деятельности, но и лучше разобраться в вопросах клеточной биологии. Авторы утверждают, что их работа может быть использована в различных областях науки и техники, так как позволяет разработать совершенно новый класс жидкостей, которые могут течь без необходимости участия человека или приложения механических усилий. Например для транспортировки нефти по трубопроводам без необходимости затрат на перекачку.

Это уже не первый случай создания подобных систем, в которых работают молекулярные элементы — ранее мы рассказывали о сетях для вирусов, самособирающихся каналов для воды и даже молекулярных турникетов. А в прошлом году Нобелевскую премию по химии присудили за проектирование и синтез молекулярных машин.


Александр Войтюк

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.