Физики научились механически контролировать химические реакции
Опубликовано ssu-filippov в 9 октября, 2010 - 04:18
Физики из Университета Калифорнии –
Лос-Анджелес (University of California – Los Angеles – UCLA) добились
значительных успехов в механическом контролировании химических реакций –
важное достижение в нанотехнологии.
Химические реакции в клетке катализируются белками-ферментами. Каждый
белок катализирует определенную реакцию. В ходе реакции две молекулы
сталкиваются и обмениваются атомами. Фермент – третий участник реакции,
своего рода ее «повивальная бабка».
 Рис. 1. Профессор физики UCLA Джованни Цокки (Giovanni Zocchi). (Credit: Reed Hutchinson/UCLA).
Но чтобы реакция произошла, молекулы должны сталкиваться определенным
образом. Фермент связывает молекулы и заставляет их взаимодействовать
«правильно», так, что вероятность обмена атомами становится
намного выше.
Вместо того чтобы просто наблюдать за тем, что делают молекулы, мы
можем подтолкнуть их к действию механически», – говорит главный автор
исследования профессор физики UCLA Джованни Цокки (Giovanni Zocchi).
Для этого Цокки и его аспиранты Чао-Ю Цзен (Chiao-Yu Tseng) и Эндрю
Ван (Andrew Wang) присоединили к ферменту управляемую молекулярную
пружину из ДНК. Пружина примерно в 10000 раз меньше, чем диаметр
человеческого волоса. Они механически включали и выключали фермент и
таким образом контролировали скорость реакции. В своем последнем
исследовании ученые присоединили молекулярную пружину к ферменту в трех
различных местах и смогли механически влиять на определенные стадии
реакции.
Результаты работы опубликовали в журнале Europhysics Letters, издании
Европейского физического общества (European Physical Society).
Мы подвергли фермент внешнему воздействию разными способами», –
говорит Цокки. «Мы можем измерить влияние на химическую реакцию разных
способов внешнего воздействия на молекулу фермента. Такое воздействие,
приложенное к молекуле в разных местах, вызывает разные ответы. Если
присоединить молекулярную пружину в одном месте, то с химической
реакцией ничего особенного не произойдет, но если присоединить ее в
другом месте, вы повлияете на одну из стадий химической реакции.
Присоединение молекулы в третьем месте влияет на другую ее стадию» –
объясняет Цокки.
Цокки, Цзен и Ван изучили скорость химических реакций и подробно
описали, что происходит с различными стадиями реакции, если механическая
сила прикладывается к ферменту в разных местах.
Стоя на плечах пятидесятилетних исследований структуры белков, мы,
помимо структурного описания, наблюдали за динамикой, в частности, за
тем, какие силы – и где приложенные – оказывают то или иное влияние на
скорость реакции», – говорит Цокки.
Решая эту давнюю физическую загадку, Цокки и его коллеги пришли к удивительному заключению.
Если попытаться согнуть прямую ветку дерева или прямой стержень, то
сначала они не сгибаются и остаются прямыми до тех пор, пока не
превышена определенная критическая сила. При приложении критической силы
они не сгибаются понемногу, а быстро деформируются и сильно изгибаются.
Это явление хорошо известно каждому ребенку, который когда-либо
делал лук из ветвей орешника. Чтобы сделать лук, то есть деформировать
ветку, вам нужно приложить достаточную силу, но вам потребуется уже
гораздо меньшая сила, чтобы удержать ветку в этом состоянии, если она
согнулась», – объясняет Цокки.
Физики UCLA изучили энергию упругой деформации их молекулярной ДНК-пружины в момент ее резкого изгиба.
Такая короткая двухцепочечная молекула ДНК несколько похожа на
ветку, но упругость ДНК в таком масштабе не была известна», – говорит
Цокки. «Какова сила, с которой молекулярная пружина ДНК оказывает
воздействие на фермент? Мы ответили на этот вопрос».
При изгибе молекулы существует критическая сила, по обе стороны от
значения которой наблюдаются качественные различия. В этом отношении
молекула напоминает ветку дерева. Если вы немного ниже критического
порога, система ведет себя одним образом, если немного выше – ее
поведение меняется кардинально. Нашим достижением было непосредственное
измерение энергии упругой деформации молекулы, к которой приложена
внешняя сила, и возможность, исходя из этой энергии, охарактеризовать ее
изгиб».
Рис. 2. Профессор кафедры физики Университета Калифорнии – Лос-Анджелес
Джованни Цокки (GiovanniZocchi) (справа) со своим аспирантом Хао Цюй
(Hao Qu). (Credit: Reed Hutchinson/UCLA).
Соавторами исследования Цокки являются физики-аспиранты UCLA Хао Цюй
(Hao Qu), Чао-Ю Цзэн (Chiao-Yu Tseng) и Юн Ван (Yong Wang), а также
адъюнкт-профессор кафедры химии и биохимии Александр Левин (Alexander
Levine), научный сотрудник Калифорнийского Института наносистем
(California NanoSystems Institute) UCLA. Исследование также опубликовано
в журнале Europhysics Letters.
Я вижу красоту в этом важном явлении. Как возможно, что один и тот
же принцип относится и к ветке дерева, и к молекуле? Тем не менее, это
так. Суть физики заключается в том, чтобы находить общие свойства в
системах, которые кажутся совершенно разными» – комментирует свое
исследование Цокки
Хотя эта работа может найти применение в медицине и других областях,
Цокки подчеркивает значение прогресса в знании как такового.
Значение науки заключается в расширении нашего знания. Она помогает
нам понять наш мир, вне зависимости от ценности для будущего
использования», – говорит исследователь. «Я изучаю проблемы, которые мне
интересны, где, я думаю, могу внести свой вклад. Почему изучение именно
этой проблемы, а не какой-нибудь другой? Возможно, по той же причине,
по какой художник выбирает определенный пейзаж. Может быть, мы видим в
них красоту».
Первоисточник: UCLA Newsroom
По материалам
Пожалуйста, оцените статью:
- Источник(и):
1. LifeSciencesToday
http://www.nanonewsnet.ru/news/2010/fiziki-nauchilis-mekhanicheski-kontrolirovat-khimicheskie-reaktsii-0
|
