phpRS

Dnešní datum: 24. 10. 2017   | Hlavní stránka | Seznam rubrik | Download | Weblinks |    

  Hlavní menu
  • Hlavní stránka
  • Seznam rubrik
  • Download
  • Weblinks
  • Ankety
  • TOP 15
  • Personalizace
  • Rozšířené vyhledávání

  •   Vyhledávání

    Hledej
    v nanotechnologiích!



      Informace
    NanoTech
    svět lidí z molekul
    Copyright
    Michal Václavík, 2004

    Flagellární (bičíkový) nanomotor
    Vydáno dne 09. 03. 2004 (8311 přečtení)

    ~ 1500 slov
    Jak se pohybují bakterie? Je tomu již 20 let, co bylo objeveno, že bakterie Escherichia coli pohání svůj bičík malinkatým elektromotorem napájeným napětím 120mV. Motor sestává z hřídele, rotoru, statoru a ložisek. Otáčky motoru jsou kolem 200 Hz. Zejména v posledních deseti letech se podařilo charakteristiky bakteriálních motorů dobře zmapovat a mohou se tak stát inspirací pro konstrukci nanomotorů. Simulanti v laboratořích objevili nanoložisko s nulovým třením. Jev nazvali superrotací (obdoba supratekutosti helia).

    Baktérie plavou díky rotaci šroubovitého vlákna, které je roztáčeno motorem vestavěným do buněčné stěny a cytoplasmatické membrány. Zdrojem energie je protonový elektrochemický potenciál. Otáčky motoru jsou přímo úměrné velikosti protonového toku skrz buněčnou membránu. Některé druhy bakterií používají motory napájené sodíkovými ionty.

    schema

    V laboratořích byly změřeny charakteristiky točivého momentu motoru v závislosti na otáčkách a teplotě. Byly nalezeny dva základní dynamické režimy funkce flagellárního motoru. Při nízkých otáčkách je točivý moment zhruba konstantní (moment pomalu klesá s otáčkami). Při vysokých otáčkách klesá točivý moment velmi prudce. Při nízkých otáčkách je velikost točivého momentu nezávislá na teplotě, zatímco při vysokých otáčkách na teplotě silně závisí.

    torque_graf

    Asi je vám jasné, že změřit otáčky bičíku, který má v průměru řádově 10 nm není zas taková legrace. Bičík je pro taková měření příliš tenký, a tak se často používá metoda, kdy se baktérie uváže za bičík ke sklíčku a nechá se rotovat místo bičíku celé její tělo. Tělo se pak brzdí ve viskózní kapalině nebo laserovým paprskem, čemuž se říká optická pinzeta.

    První momentové charakteristiky flagellárních motorů byly naměřeny na počátku devadesátých let u bakterií Escherichia coli, Streptococcus a Salmonella typhimurium.

    Bakteriální bičíkový motor je točivý molekulární stroj napájený tokem iontů skrz cytoplasmatickou membránu bakteriální buněčné stěny. Každý motor pohání šroubovité vlákno a rotující vlákna jsou hnací silou plovoucích buněk. Iontový tok je dán elektrochemickým protonovým H+ nebo sodíkovým Na+ gradientem. Elektrochemický gradient se skládá z napěťové a koncentrační komponenty a je klíčovým v metabolismu baktérií a vyšších organismů. Uvnitř buňky bakterie je typicky elektrický potenciál o 150mV nižší než v jejím okolí, a tak o něco nižší koncentrace iontů H+ nebo Na+. Bičíky rotují u plovoucích buněk rychlostí až 1000 Hz. Pokud jsou buňky upevněny za bičík k desce, motor otáčí celou buňkou rychlostí okolo 10 Hz. Rotující tělo motoru je sada kroužků v cytoplasmatické membráně s průměrem okolo 45 nm, která se skládá celkem z několika málo stovek molekul několika různých proteinů. Tento rotor je obklopen prstencem statoru obsahujícím 8 až 16 nezávislých torzních generátorů, které jsou ukotveny do buněčné stěny a skládají se z proteinů MotA a MotB (zde v níže uvedeném obrázku značené jako R227+ a D269-).

    dipol

    Torzní generátor není nic jiného než podlouhlá molekula, která je na jednom konci nabita + a na druhém -, tj. tvoří dipól (pro označení této molekuly se používá MotA a MotB, přičemž jedno Mot je + a druhé -). Iont H+ či Na+ je ve vhodný okamžik posazen do povrchového zakončení rotoru, které má tvar písmene C, a proto se mu říká C-zakončení. Iont pak interaguje s MotA MotB dipól molekulou, která je pevně namontovaná do statoru v buněčné stěně. Iont H+ či Na+ je pak od jednoho konce této molekuly odpuzován a k druhému přitahován.

    Jistě vás bude zajímat, co vás bude provoz takového motoru stát. Typický flagellární bakteriální motor zhltne při chodu v optimálních otáčkách zhruba 300 iontů za milisekundu. Bakterie za normálních okolností věnuje svému nanomotoru pro vlastní pohon zhruba 0,1% z celkového výkonu svého metabolismu.

    Některé bakterie mají těchto motorů několik a jsou schopné je dle potřeby přemísťovat po svém povrchu, a tak rozhodnout, jakým směrem budou plavat. Motor se může točit na obě strany a změna chodu do opačných otáček trvá pouhých několik milisekund, tj. bakterie je schopná pěkně rychle zařadit v případě potřeby zpátečku. Některé bakterie mají vpředu tažný motor a vzadu motor, který je tlačí. Něco jako vlak s lokomotivou vpředu i vzadu :o)

    Technická specifikace flagellárního motoru (model Streptococcus ;-)

    pohon:

    protonový nebo sodíkový elektrochemický gradient

    spotřeba protonů na jednu otáčku:

    cca 1000

    energie na proton:

    cca 2,5 x 10^-20 J (6kT)

    maximální otáčky:

    300 Hz (na protony), 1700 Hz (na sodík)

    točivý moment:

    cca 4 x 10^-18 Nm

    maximální výkon:

    cca 10^-15 W, tj. 1 fW

    účinnost:

    50-100% na hřídeli, cca 5% celkově při plavbě

    počet kroků na otočku:

    jedná se o krokový motor, cca 50 na jeden torzní generátor

    Dovolte, abych se pozastavil nad délkou bičíku. Když koukám na pohonnou jednotku bakterie a vidím šroubovité vlákno bičíku, nemohu si pomoci, ale připomíná mi to lodní šroub. S tím rozdílem, že poněkud dosti protažený do délky. Vlákno bičíku je zpravidla více jak stokrát delší ve srovnání se svým průměrem. Proč miliardy let trvající evoluce vybavila pro plavbu bakterie tak dlouhým lodním šroubem? To mi tedy vrtá v hlavě. Nejspíš pokud bych dal vedle sebe dva druhy bakterií, jedny by měly zmenšeninu klasického šroubu používaného běžně v lodní dopravě a druhé by měly původní dlouhé šroubovité vlákno, zvítězily by v konkurenčním boji bakterie s dlouhým šroubem, protože jinak by dnešní bakterie měly klasický lodní šroub. Z toho vyplývá, že bakteriemi používané uspořádání pohonu, musí mít nějaké výhody. Pokud tyto řádky čte nějaký odborník přes lodní šrouby, opravdu by mne zajímalo, zda by uspořádání velmi dlouhého vláknového šroubu nevedlo k tiššímu chodu nebo vyšší účinnosti. Jedno či druhé nebo dokonce obojí by bylo pro bakterii jistě výhodou. Tichý chod by ji lépe chránil před predátory, kteří si rádi na bakterii smlsnou a nebo by šetřil její energetické zdroje. Tiché dlouhé vláknové šrouby po vzoru bakterií by pak ocenil nejeden kapitán vojenské ponorky.

    Nanomotory by se dal také vypálit rybník šejkům. Spojením mnoha triliard nanomotorů by bylo možné vyrobit makromotor o výkonu běžném pro osobní automobily. Takový motor by využíval k pohonu rozdílu chemického potenciálu iontů, kterého by bylo dosaženo štěpením ATP na ADP (energie z cukrů, cukry štěpením ze škrobů, prostě by to jezdilo stejně jako bakterie na brambory :o)

    Podívejme se nyní do několika laboratoří, co se tam děje a zda-li bílé a modré pláště odvádějí v oblasti nanomotorů, nanoložisek a nanopřevodů pěkný kus práce.

    Pan Han s přáteli z NASA/Ames provedl detailní dynamické simulace molekulárních ozubených převodů (2000 atomů) postavených z uhlíkových nanotrubiček, na které přilepil zuby z benzenových jader (známá věc, že benzenová jádra reagují s C60). Jedno z ložisek je poháněno silou působící na atomy na konci jedné z nanotrubiček, čímž vytváří její rotaci. Přes benzenové zuby se přenáší síla na sousední nanotrubičku. Obě nanotrubičky mají průměr 1,1 nm a sedm benzenových zubů. Vzdálenost mezi nanotrubičkami je 1,8 nm. Nejmenší vzdálenost mezi atomem benzenového zubu a atomem nanotrubičky je 0,4 nm. Výsledky ukazují, že převod může pracovat až s rychlostí 70 miliard otáček za vteřinu (70 GHz) ve vakuu za pokojové teploty bez přehřívání či přeskakování. Když rychlost otáček vzroste nad 150 GHz, převody se začnou přehřívat a přeskakovat. Až do teploty 3000 stupňů Celsia však nedochází k jejich poškození (vylomení zubu apod.). Přeskakující převody se vždy podařilo vrátit do normálního provozního stavu snížením otáček nebo teploty. Pan Robertson a jeho přátelé z Naval Research Laboratory (NRL) simulovali převody ještě menších ozubených kol (290-464 atomů) a dostali se až na 500 miliard otáček za vteřinu (500 GHz). Provoz byl však naprosto stabilní a bez přehřívání pouze do 20 GHz.

    Jiná skupina přátel z Oak Ridge National Laboratory (ORNL) zkoušela s použitím klasické molekulární dynamiky prozkoumat vlastnosti molekulárních ložisek, které sestávaly ze dvou do sebe zasunutých nanotrubiček. Rozměry vnitřní uhlíkové nanotrubičky měnili v rozmezí 0,4-1,6 nm v průměru a až 12 nm do délky. Vnější cylindr měl rozměry 1,0-2,3 nm v průměru a dlouhý byl až 4 nm. Původní simulace provázely silné vibrace a až zvýšené pracovní úsilí zahrnující kvantové efekty odhalilo, že za určitých podmínek se ztrácí v ložiskách tření a dostávají se do stavu superrotace, který je obdobný supratekutosti helia. Zejména pokud je ložisko zatíženo, dosahuje se stavu superrotace obtížněji a je zapotřebí věnovat velké úsilí přípravě kvalitního designu ložiska.

    Pan Tuzun a jeho přátelé, vypočítali požadavky na coaxiální umístění dvou nanotrubiček různých průměrů za účelem vytvoření ložiska. Pracovali s nanotrubičkami dlouhými jedenáct prstenců a 10 uhlíkových atomů na prstenec pro rotor a 30 nebo 34 uhlíkových atomů na jeden prstenec statoru. Perfektně vycentrovaný stator zapadne přímo do potenciální jámy tvořené van der Walsovými vazbami. Pánové se dále zabývali otázkou, jak hodně nepřesné může být umístění statoru, aby ještě zapadl do potenciální jámy a došli k výsledku 0,26-0,16 nm. Tento údaj je velmi důležitý, abychom věděli s jakou přesností musíme počítat pro výrobu těchto ložisek.

    Co myslíte, bude se na výrobu nanomotorů a nanoložisek používat nanofabrika, která je bude assemblovat z jednotlivých atomů či jednoduchých molekul nebo se budou v kultivačních tancích pěstovat bakterie, kterým se potom motory vyříznou z těla (obdoba dnešního chovu hospodářských zvířat)…?



    ( Celý článek! | Autor: Michal Václavík | Počet komentářů: 1988 | Přidat komentář | Informační e-mailVytisknout článek )

      Anketa
    Samoreplikující se stroj bude vyroben

    do 10-ti let 
     (1681 hl.)
    do 20-ti let 
     (1328 hl.)
    do 50-ti let 
     (1277 hl.)
    nikdy 
     (1129 hl.)

    Celkem hlasovalo: 5415


      Kalendář
    <<  Říjen  >>
    PoÚtStČtSoNe
           1
    2345678
    9101112131415
    16171819202122
    23242526272829
    3031     

    Reklama serveru www.wz.cz. Děkuji za poskytnutí prostoru pro nanotechnologie.

    Web site powered by phpRS PHP Scripting Language MySQL Apache Web Server

    Tento web site byl vytvořen prostřednictvím phpRS - redakčního systému napsaného v PHP jazyce.
    Na této stránce použité názvy programových produktů, firem apod. mohou být ochrannými známkami
    nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků.