گروه زیست شناسی دزفول

محققان مؤسسۀ ماکس پلانک نشان دادند که موتورهاي مولکولي مي‌توانند ارابه‌اي را در فاصله‌هاي زيادي به حرکت در آورند. اين محققان در زمينۀ بين سطحي و کلوئيدها به نظريه جديدي دست يافته‌اند که تنها هفت يا هشت موتور مولکولي لازم است تا يک انتقال مستقيم به فواصل چند سانتيمتر يا چند متري صورت گيرد. آنها همچنين نشان دادند که نيروي بار و موتورها به شدت از سرعت ارابه کم کرده و يک رابطۀ به شدت غير خطي سرعت نيرو بين آنها وجود دارد. موتورهاي مولکولي براي تمام انواع ارابه‌ها در درون سلول‌هاي موجودات زنده، به عنوان يک نانوتراکتور عمل مي‌کنند.
موتورهاي مولکولي با مصرف انرژي حاصل از هيدروليز ATP (سوخت سلولي)، به شکل مرحله‌اي در طول رشته‌هايي از Cytoskeleton به حرکت در مي‌آيند. موتورهاي Kinesin و Dynein در طول ميکرولوله‌هاي بسيار کوچک و ميوزين در طول رشته‌هاي اکتين حرکت مي‌کنند. اندازة هر گام از اين موتورها حدود 10 نانومتر مي‌باشد. اين موتورها با حرکت گام به گام در طول رشته‌ها، اجزاء ارابه را که بسيار بزرگتر از خود موتورها بوده، مي‌کشند. موتورهاي مولکولي، علاوه بر اينکه وظيفه‌اي خاص براي سلول‌ها تعريف مي‌کنند، به‌عنوان سيستم‌هاي انتقالي زيست‌تقليد کاربردهاي بسيار زيادي داشته و به عنوان اجزء کليدي در نانوفناوري زيستي خواهند بود.
انتقال فعال در موتورهاي مولکولي براي سلولهاي عصبي يا رشته‌هاي درون مغز، از اهميت ويژه‌اي برخوردار است. اين سلول‌ها داراي بخش‌هاي گسترده‌اي به نام اکسون بوده، که بدنة يک سلول را به محل تماس دو عصب متصل مي‌کند، در اين تماس سيگنال‌هالي عصبي از يک رشته مغزي به ديگري انتقال مي‌يابد. ميکرولوله‌هاي بسيار کوچک کانال‌هايي در اين مسيرها ايجاد مي‌کند که موتورهاي مولکولي ارابه را مانند کيسه‌هاي کوچک پر شده با انتقال دهنده‌هاي عصبي، جابجا مي‌کنند.
به علت نانومقياس بودن، موتورهاي مولکولي بر خلاف راه‌آهن يا ماشين، تمايل دارند از مسير خود منحرف شده و به محيط محلول آبي خود نفوذ کنند. که سبب مي‌شود اين پديده نسبت به نوسانات گرمايي حساس‌تر باشد. بنابراين، يک موتور مولکولي مي‌تواند در چند ثانيه، فقط به يک رشته متصل گردد. در اين لحظه، يک تک موتور فاصله يک ميکرومتر را طي مي‌کند، به عبارت ديگر اين تک موتور بسيار شبيه يک جهنده رفتار مي‌کند اگر چه ارابه يک ماراتون را اجرا مي‌کند.
اين دانشمندان هم اکنون راه حلي براي حل اين سرگرمي تهيه نموده‌اند. اگر ارابه، بوسيلة چندين موتور کشيده شود، هر موتور که از رشته جدا شده، در کنار آن و به فاصله‌اي برابر با اتصال عرضي ارابه رشته( حداقل يک موتور پيوندي) باقي ماند. در چنين موقعيتي، موتورهاي جدا شده و غيرپيوندي مي‌توانند با رشته مجدداً اتصال برقرار کرده و به کشيدن ارابه ادامه دهند.
اين دوندگان، بر خلاف انسان، خسته نمي‌شوند. اين مکانيسم از يک مدل نظري جديد به دست آمده است که حالت‌هاي پيوندي متفاوتي از اجزاء ارابه را شناسايي کرده و حالتهاي گذرا را تشريح مي‌کند. با استفاده از اين مدل،‌ چندين خواص انتقال مانند سرعت متوسط و فاصلة متوسط پيمايش اجزاء ارابه را به عنوان تابعي از ماکزيمم تعداد موتورهايي که مي‌توانند اين جزء را حرکت دهند، محاسبه شده است. به عنوان مثال براي موتورهاي Kinesin، محاسبات نشان مي‌دهد که فقط هفت يا هشت موتور جهت جابجائي به فواصل سانتيمتري مورد نياز بوده و يک ارابه که با 10 موتور کشيده مي‌شود فاصله متوسط پيمايشي در حدود يک متر دارد.
اگر موتورهاي مولکولي در برابر يک نيروي بار خارجي به حرکت درآيند، اين نيرو بين موتورهاي آن تقسيم مي‌شود. نتيجه بديهي اين اثر، چنين است که حرکت ارابه کند مي‌شود. به علاوه، نيروي اعمال شده بر هر موتور به شدت احتمال جدا شدن را براي هر يک از موتورها افزايش مي‌دهد. علاوه بر اين، با جدا شدن بيشتر موتورها، هر يک از موتورهاي باقيمانده مجبور است، نيروي بزرگتري تحمل کند. اين بدين معني است که احتمال جدايي حتي بيشتر از اين مقدار نيز افزايش مي‌يابد. در نتيجه فرآيند جدا شدن موتورها به صورت پي در پي ادامه يافته و وابستگي به شدت غيرخطي بودن سرعت ارابه به نيروي بار خارجي نيز از نتايج ديگر آن مي‌باشد. چنين فرآيندهاي متوالي، زمانيکه انتقال ارابه توسط انواع متفاوتي از موتورهاي مولکولي صورت گيرد، بسيار پيچيده‌تر خواهد شد.
تمام خواص انتقال پيش بيني شده توسط اين نظريه جديد، با استفاده از روش‌هاي بکار رفته جهت تک موتورها، مي‌تواند به صورت آزمايشي مورد بررسي و تحقيق واقع شود. در حقيقت، آزمايشات اوليه در اين مؤسسه با پيش‌بيني‌هاي نظري تطابق دارند. به طور مشابه، نظريه مقداري ، نيز بايد جهت طراحي سيستم‌هاي انتقال زيست‌تقليد براي کاربردهاي آزمايشگاه بر روي تراشه مناسب باشد. براي مثال موتورهاي مولکولي، مولکول‌هاي واقعي را به موقعيت‌هاي ويژه و مناسب انجام واکنش منتقل مي‌کند. بسته به ترتيب قرار گرفتن رشته‌ها در اين سيستم‌ها،، تغيير فاصله پيموده شده، چگونگي محلي‌سازي معرف‌هاي نقاط هدف را و نفوذ آنها را کنترل مي‌کند که اين عمل با انتقال فعال نيروي موتوري افزايش مي‌يابد.