В почти всяка клетка на тялото ви, малкият мотор F1 работи без прекъсване, за да създава аденозин трифосфат (ATP) – универсалния източник на енергия, който захранва почти всяко ваше действие – от дишането до тичането. Въпреки че учените от години разбират структурата на тази молекулярна машина, една ключова загадка оставаше: как нейният партньор, моторът F0 , завърта F1 с максимална ефективност?
Как работи АТФ синтазата
АТФ синтезата е ензимът, който катализира образуването на АТФ. Тя се състои от двигатели F0 и F1, които са свързани помежду си. Когато F0 се върти, той принуждава централния вал вътре в F1 също да се върти. И все пак подробностите за това как F0 прилага своята сила не бяха известни.
Експериментът: два начина на въртене
За да разкрият тайната, международен екип от изследователи изолира един мотор F1 от бактерията Bacillus и го принуди да се върти по два различни начина, за да произведе ATP. Първо, те приложиха усукваща, постоянна сила (постоянен въртящ момент). Второ, те използваха техника, наречена ъглова скоба, която постоянно измерваше позицията на мотора и незабавно регулираше силата, за да го поддържа да се върти с постоянна скорост и ъгъл.
Резултатите: какво разкри сравнението
Сравнението на двата метода разкри значителна разлика в ефективността. Техниката „ъглова скоба“ беше най-ефективна, тъй като равномерното, непрекъснато движение елиминираше загубата на енергия. Подходът с постоянен въртящ момент водеше до загуба на енергия, тъй като позволяваше на мотора да се люлее и да се тресе. Екипът потвърди своите заключения с компютърни симулации, базирани на физически модели на мотора.
„Нашите експерименти, комбинирани с теория и симулации, показват, че ъгловата скоба значително потиска неравновесните вариации, които допринасят за безполезната загуба на вложената енергия“, пишат учените в статията си, публикувана във Physical Review Letters.
Потенциал за изкуствени наномашини
Изследването на начина на работа на F1 мотора може да допринесе за проектирането на по-ефективни изкуствени наномашини и молекулни мотори. Това означава, че микроскопичните устройства, използвани в приложения от медицината до производството, могат да работят с по-малко енергия и да бъдат също толкова ефективни, колкото и техните биологични аналози.
Ограничения на изследването
Но има един важен улов в изследването. F1 е изследван в лабораторни условия (in vitro), а не в жива клетка (in vivo), така че може да не е уловил цялата сложност на естествената система, в която моторите взаимодействат с други компоненти. Освен това подходът с ъгловата скоба не съществува в природата; той е теоретична концепция. Въпреки това, това проучване предоставя задълбочено разбиране на физиката, стояща зад управлението на енергията в този миниатюрен мащаб.
Източник: Phys.org
