Новости химической науки > Фитнесс для искусственных мускулов

Макроскопическое движение мускулов вызвано коллективным движением «биомолекулярных моторов». Исследователи и инженеры долгое время пытаются имитировать этот процесс в лаборатории. В новой работе французские исследователи сообщают, что им удалось приблизиться к достижению этой цели.

Исследователям удалось разработать метод получения искусственных мускулов, основанный на использовании иерархической организации супрамолекулярных волокон мускульного типа. Разработанная методика позволила усилить молекулярное движение на микроскопическом уровне.

Наша мышечная ткань отличается иерархической структурой: наименьшее функциональное звено мускульных волокон носит название саркомер, который состоит из актиновых и миозиновых волокон. Строение миозина напоминает связку крошечных клюшек для гольфа, «головки» которых проникают в тонкие актиновые волокна. Скоординированное движение тысяч «головок» таких клюшек заставляет волокна миозина скользить вдоль актиновых волокон, что заставляет саркомер сокращаться. Огромное количество субъединиц саркомеров продольно связано с миофибриллами, которые латерально сплетены с волокнами.

Иерархическая организация супрамолекулярных волокон, имитирующих мышечную ткань. (Рисунок из Angew. Chem. Int. Ed., 2015, doi: 10.1002/anie.201509813)

Исследователи из группы Николя Джизеппоне (Nicolas Giuseppone) смогли сымитировать этот принцип структуры. В их модели отдельные структурные элементы представляют собой ротаксаны – молекулы, состоящие из цикла и открытой цепи, продетой сквозь цикл. Объемные группы на концах цепи препятствуют разъединению цикла и цепи.

Существует возможность получения димеров ротаксанов – это происходит в том случае, если один цикл связан прочными связями со стержнем, и в димерах стержень одной молекулы продет через цикл другой. Ранее такие системы использовали в качестве основы для молекулярных переключателей, поскольку изменение положения циклов друг относительно друга позволяет системам сокращаться и раскрываться подобно телескопическим антеннам.

Исследователи сконструировали димеры ротаксанов таким образом, что у колец имелось две позиции, позволяющие фиксировать кольца на позиции стержня. В этих положениях кольца фиксируются межмолекулярными взаимодействиями, специфичными для определенных функциональных групп. Варьирование кислотности и основности среды позволяет перемещать циклы между двумя положениями, обеспечивая контролируемое изменение длины димера. Исследователям впервые удалось объединить тысячи таких димеров в супрамолекулярное волокно микрометровой длины.

Для того чтобы этого достичь, исследователи использовали схему объединения нитей за счет эксплуатации водородных связей. Использованная архитектура похожа на систему, обеспечивающую стабильность двойной спирали ДНК. Фрагменты связываются друг с другом за счет непрочных межмолекулярных взаимодействий (π-π-стекинг и силы Ван-дер-Ваальса), в результате чего индивидуальные волокна агрегируют в более крупные ассоциаты толщиной от 10 до 20 нм. Изображения, полученные с помощью электронной микроскопии, демонстрируют, что при сокращении эти волокна становятся более плотными, подобно напряженной мышце, при растяжении они удлиняются.

Источник: Angew. Chem. Int. Ed., 2015, doi: 10.1002/anie.201509813

метки статьи: #биохимия, #нанотехнологии, #супрамолекулярная химия, #химия полимеров