Ученые раскрыли секрет максимальной эффективности биологических моторов

Контроль отдельной молекулы F₁ как модельной системы АТФ-синтазы. (a) Исследователи внешне вращали F₁, полученную из термофильной Bacillus PS3 [6], прикладывая крутящий момент к зонду, прикрепленному к её γ-валу. Вращение наблюдали с помощью видеомикроскопии на частоте 4 кГц. Врезка: F_oF₁-АТФ-синтаза. (b) Реализация режимов постоянного крутящего момента и фиксации угла путем варьирования амплитуд и фаз переменного напряжения на четырех электродах (A–D) [7]. (c) Профиль свободной энергии возникает из взаимодействия между γ-валом и статором F₁ и изменения химической свободной энергии Δμ гидролиза АТФ. Зонд, прикрепленный к γ-валу, вращали в направлении синтеза АТФ с постоянным крутящим моментом (слева) или с удерживающим моментом, при котором центр ловушки вращался с постоянной скоростью (справа). Автор: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/b24h-v7by

Почти в каждой клетке вашего тела крошечный мотор F₁ работает без остановки, создавая аденозинтрифосфат (АТФ) — универсальный источник энергии, который питает почти каждое ваше действие, от дыхания до бега. Хотя ученые уже много лет понимают структуру этой молекулярной машины, ключевая загадка оставалась: как его партнер, мотор F₀, вращает F₁ с максимальной эффективностью?

АТФ-синтаза — это фермент, катализирующий образование АТФ. Она состоит из обоих моторов, F₀ и F₁, которые соединены вместе. Когда F₀ вращается, он заставляет вращаться и центральный вал внутри F₁. Однако детали того, как F₀ прикладывает свою силу, оставались неизвестными.

Чтобы докопаться до сути загадки, международная группа исследователей изолировала отдельный мотор F₁ из бактерий Bacillus и заставила его вращаться двумя разными способами для производства АТФ. Во-первых, они приложили скручивающую, постоянную силу (постоянный крутящий момент). Во-вторых, они использовали технику под названием «фиксация угла», которая постоянно измеряла положение мотора и мгновенно корректировала усилие, чтобы поддерживать его вращение с постоянной скоростью и углом.

Сравнение двух методов выявило резкую разницу в производительности. Техника фиксации угла оказалась наиболее эффективной, поскольку плавное, непрерывное движение устраняло потери энергии. Подход с постоянным крутящим моментом приводил к потерям энергии, поскольку позволял мотору испытывать колебания и рывки. Команда подтвердила свои выводы с помощью компьютерного моделирования, основанного на физических моделях мотора.

«Наши эксперименты в сочетании с теорией и моделированием показывают, что фиксация угла существенно подавляет неравновесные вариации, которые способствуют бесполезному рассеиванию входной работы», — написали ученые в своей статье, опубликованной в Physical Review Letters.

Результаты исследования — это не просто предмет лабораторного любопытства. Изучение того, как работает мотор F₁, может помочь в проектировании более эффективных искусственных наномашин и молекулярных моторов. Это означает, что микроскопические устройства, используемые в областях от медицины до производства, смогут работать с меньшим потреблением энергии и быть такими же эффективными, как их биологические аналоги.

Однако у исследования есть важный нюанс. Мотор F₁ изучался в лабораторных условиях (in vitro), а не внутри живой клетки (in vivo), поэтому, возможно, не удалось уловить всю сложность естественной системы, где моторы взаимодействуют с другими компонентами. Кроме того, подход с фиксацией угла не существует в природе; это была теоретическая концепция. Тем не менее, это исследование дает глубокое понимание физики, лежащей в основе управления энергией на этом крошечном масштабе.

АТФ-синтаза считается одним из самых эффективных молекулярных моторов в природе, способной преобразовывать почти 100% энергии протонного градиента в химическую энергию АТФ. Открытия в области биологических моторов уже вдохновляют разработки в нанотехнологиях, включая создание молекулярных насосов и сенсоров.