Nanotechnologia w żywych organizmach:

Silnik protonowy bakterii

Escherichia coli

Silnik protonowy bakterii Escherichia coli robi ostatnio oszałamiającą karierę jako przykład systemu nieredukowalnie złożonego. Dzieje się tak ze względu na narzucającą się analogię tego systemu z wytworami ludzkiej technologii oraz na niezwykle wyrafinowane jego funkcjonowania i budowę. Niektórzy naukowcy nazywają bakteryjny silnik protonowy "najbardziej wydajną maszyną świata".

				Rys. 1. Bakteryjny silnik protonowy — symbol ruchu teorii inteligentnego projektu.

Rys. 1. Bakteryjny silnik protonowy

Escherichia coli (pałeczka okrężnicy) jest jednokomórkowym organizmem żyjącym w naszych jelitach; wnosi wkład w nasze odżywianie się: rozkłada w jelitach niektóre białka do stanu, w którym mogą być one wchłonięte przez ścianki jelit. Bakteria waży tylko około 1 jedną bilionową cześć grama, ma średnicę około jednego mikrometra i długość dwóch mikrometrów.

Układ ruchu bakterii

·  silniki protonowe - bakteria ma od 4 do 6 takich silników; silnik mają średnicę 45 nm (cztery milionowe części milimetra) i wysokość 60 nm; jest napędzany przez strumień protonów (jonów wodoru) płynących z zewnątrz do wnętrza bakterii: źródłem energii jest międzymembranowy potencjał elektryczny – tzw. chemiosmotyczny ΔμH+; silnik protonowy ma odwracalnym kierunek obrotu; osadzony jest w ścianie komórkowej (jego wewnętrzna część umieszczona jest w cytoplazmie, zewnętrzna w zewnętrznej błonie komórkowej); silniki poruszają spiralną wić

·  wić - jest kilkakrotnie dłuższa niż bakteria, jest praktycznie sztywnym tworem przypominającym spiralę korkociągu; ma grubość 20 nm i jest zbudowana z białka zwanego flagelliną: na jeden zwój spirali wici przypada około pięciu tysięcy cząsteczek flagelliny

·  czujniki biochemiczne – rejestrują różnice stężenia pokarmu w otoczeniu; na podstawie wskazań tych sensorów bakteria może modulować pracę silników by kierować się w obszar bogatszy w odżywcze składniki

·  prędkościomierz i skrzynia biegów - pozwalają na różne tryby pracy silnika

·  kątnik - elastyczne łącze

Budowa i działanie silnika bakterii

Jak każdy techniczny silnik elektryczny, tak i silnik bakteryjny posiada rotor, stator i łożyska (rys. 2). Ośka ustawiona pionowo do powierzchni błony komórkowej, zabudowana jest pomiędzy dwie sąsiadujące membrany w błonie komórkowej.

Środkowa membrana spełnia rolę dialektyka (izolatora) kondensatora, który naładowany jest na zewnątrz dodatnio, a wewnątrz — ujemnie. Powstające przy tym napięcie elektryczne wynosi 0,2 wolta. bakteryjny silnik napędzany jest bezpośrednio przez gradient elektrochemiczny.

Specjalny system molekularnych pomp, wykorzystując złożone metaboliczne procesy, wypompowuje protony z wnętrza komórki "pod prąd" ciśnienia osmotycznego, wytwarzając w ten sposób wspomniany gradient elektro-dodatni. Powstająca w ten sposób różnica potencjałów z powrotem przyciąga protony do wnętrza komórki, co wykorzystuje bakteria do napędzania nimi silników.

				Rys. 2. Schemat bakteryjnego silnika protonowego.

Rys. 2. Schemat bakteryjnego silnika protonowego.

Mechanizm generowania obrotów silnika jest słabo poznany. Wiadomo jednak, że odpowiadają za to złożone oddziaływania  pomiędzy nim a statorem. Istnieją trzy modele tłumaczące ten mechanizm: model turbiny wodnej, model "kołowrotka" i model elektrostatycznej turbiny protonowej.

Jak bakteria buduje wić?

Białko flagelliny, z którego zbudowana jest wić, ma nadzwyczajnych właściwości. Cząsteczki tego białka (oznaczonego jako FliC) o masie cząsteczkowej 54 000 mają zdolność do łączenia się razem w regularne struktury podobne do nici i spirali o różnym promieniu krzywizny. Jest to proces przypominający krystalizację.

Bakteria buduje z flagelliny zawsze ściśle określoną formę sztywnej, skręconej w kształt korkociągu rureczki. Jest tajemnicą, jak podczas montażu wici tysiące cząsteczek flagelliny dostarczane są do nowo powstającej i wydłużającej się wici (a musi być to mechanizm niezwykle wydajny, ponieważ jeden skręt spirali wici składa się z około 5000 cząsteczek tego białka).

Flagellina transportowana jest na koniec aktualnie montowanego odcinka poprzez specjalny kanał wewnątrz budowanej wici w tempie około 50 cząsteczek flagelliny na sekundę. Proces budowy wici wieńczy umieszczenie na jej końcu specjalnej nasadki.

Utworzona ostatecznie wić jest strukturą prawo- lub lewoskrętną, przy czym zmiana "skrętności" wici zachodzi przy każdej zmianie kierunku obrotów silnika obracającego wić: przy obrotach silniczka zgodnego z ruchem wskazówek zegara wić wykazuje prawoskrętność i odwrotnie, przy obrotach w przeciwnym kierunku wykazuje lewoskrętność. Wić nadająca bakterii ruch postępowy w płynnym środowisku jest zatem odpowiednikiem śruby okrętowej lub śmigła.

Proces budowy silnika.

Proces budowy silnika jest przykładem zdumiewającej precyzji. Do zmontowania całego funkcjonalnego silnika bakteria potrzebuje około 30-40 genów i ich produktów. Są to grupy genów oznaczone jako fla (np.: flg, flh, fli lub flj) i mot, ponieważ kodują one białka potrzebne do konstrukcji silnika i poruszania się bakterii — flagella i motility. Defekt jakiegokolwiek z tych genów powoduje zawsze kompletne załamanie się podstawowej funkcji silnika. Produkty tych genów — białka o zróżnicowanej masie cząsteczkowej od 8000 do 76 000 — oznaczane są analogicznie do kodujących je genów jako np.: FlgE, FlgH, FliI, lub MotA, MotB (zob. rys. 3).

We właściwych momentach włączane są odpowiednie geny syntetyzujące właściwe białka, po czym białka te są odpowiednio transportowane i montowane.

Budowa tego precyzyjnie zintegrowanego zespołu napędowego rozpoczyna się od zmontowania najbardziej wewnętrznego (względem błony komórkowej) kręgu rotora, następnie powstaje ośka, dalej kolejne kręgi rotora, składający się przypuszczalnie z ośmiu elementów stator, następnie kątnik (uniwersalne elastyczne łącze) przez który z kolei budowana jest z tysięcy cząsteczek flagelliny wić. Materiał do budowy wici transportowany jest poprzez kanał przebiegający przez centrum kątnika, ośki i dalej na zewnątrz, środkiem rurkowatej wici. U wejścia do tego kanału znajduje się specjalne urządzenie, regulujące dopływ tego materiału (zob. rys. 3).

Szybkość z jaką powstaje ta molekularna maszyna jest zadziwiająca: cała bakteria E. coli powstaje w czasie nie dłuższym niż 1200 sekund!

Opracował: Jerzy Kosek na podstawie materiałów ze strony http://creationism.org.pl/