Nanoteknologi ingeniører kjemper for å konkurrere med celleytelse
Evolution news; 21. juni 2017
Oversatt herfra.

Bilde 1: Fra "Arbeidshesten av cellen: Kinesin," via Discovery Institute.

Cellene får det mekaniske arbeidet til å virke enkelt, men å etterligne det de gjør, er veldig, veldig vanskelig for intelligente designere av det menneskelige slaget.

Bevegelige deler
Nanoteknologer tar små skritt mot å imitere hva celler gjør hele tiden. I våre kropper bruker hver muskelcelle myosinmotorer på actin-filamenter for å generere tett regulerte trykk og trekk. Mens de er individuelt små, summert opp utgjorde disse fysiske kreftene en konkurransevektløfter som hevet flere ganger sin kroppsvekt over hodet. I andre deler av våre celler går kinesinmotorer langs mikrotubuler, leverer last hvor det trengs (se vår animasjon-her). Disse bevegelige delene er tett regulert, retningsbestemt og effektive. Prøv å bygge en molekylær maskin som kan gjøre disse tingene.
I "Gearing up molecular rotary motors" i Science Magazine gir Massimo Baroncini og Alberto Credi en titt på fremdrift for nano-ingeniører som prøver å etterligne motoriserte motorer i celler -her. De har en lang, lang vei å gå.

Maskiner og motorer basert på syntetiske små molekyler blir realisert ved en "bottom-up" -tilnærming til nanoteknologi, og kan utnytte molekylær bevegelse på én av to måter. Den første genererer makroskopisk arbeid ved å samle handlingene til mange nanoenheter organisert i en matrise, som gir romlig og tidsmessig kontroll av bevegelsen aktivert av en energiforsyning. Denne tilnærmingen etterligner myosinmotorproteiner i skjelettmuskler. Den andre ruten bruker den energikrevende rettede bevegelsen av individuelle molekylære maskiner til å utføre en oppgave i nanoskala, som etterligner kinesinbasert transport. Begge sakene kobler en aktiv mekanisk komponent ( molekylmaskinen ) med nærliggende passive komponenter og til slutt med omgivelsene. På side 964 i denne saken, rapporter Štacko et al. synkron overføring av en fotoaktivert retningsinnstilling fra en syntetisk molekylær motor til en koplet rotor. Denne demonstrasjonen tar et viktig skritt videre mot mer komplekse mekaniske funksjoner med kunstige nanoskalaenheter.

Baroncini og Credi prøver å gi et positivt spinn til kunstige motorer, men en titt på tallene og de faktiske prestasjonene i artikkelen viser at produktene er ynkelige konkurrenter. Én er to molekyler forbundet med et bånd som spinner ukontrollert og tilfeldig. Et lag gjorde fremgang ved å legge til en slags brems på den. En annen modell viser et design med en molekylær paddelåre som kan roteres i en retning med lys, men hva gjør det egentlig? Veldig lite. Det ble ansett som en viktig bedrift for å holde den roterende delen orientert mot statoren.
Mens vi applaudere alle fremskritt i denne svært utfordrende arenaen, er den virkelige leksjonen det de lærer om designkrav.

Bilde 2. Hva skal til for at denne (bakterieflagellen) skal fungere?

Ved å legge bort de stereokjemiske hensyn som kreves for en detaljert forståelse av koblingsmekanismen, er basissaken fremmet av studien av Štacko et al. at overføring av bevegelse er avhengig av en passende innstilling av energibarrierer, knyttet til de forskjellige roterende bevegelser. Et annet viktig krav er tilstedeværelsen av diagnostiske elementer som muliggjør den entydige eksperimentelle identifikasjonen av strukturer involvert i operasjonssyklusen. Begge målene har blitt oppnådd ved hjelp av en oppfinnsom [ ..] molekylær design.

Når vi spør hvor oppfinnsom designet er, hører vi endelig en innrømmelse at cellene gjør ting langt, langt bedre enn vi kan. Sluttavsnittet sier:
Et viktig trekk ved dagens system sammenlignet med tidligere eksempler på kontrollerte bevegelser overført via syntetiske molekylære enheter, er at rotasjonen generert av motoren er ensrettet, kontinuerlig og autonom (det vil si at den foregår under jevne eksperimentelle forhold så lenge lysenergi er tilgjengelig). Slike ekstremt verdifulle egenskaper blir bevart ved overføring av bevegelse. I levende organismer utføres oppgaver som strekker seg fra signaloverføring til motilitet ved å formere molekylære bevegelser via mekaniske forbindelser. Selv om vi fortsatt er langt fra å nå liknende mål med kunstige systemer, avanserer det molekylære feltet raskt framover, og det eksisterer nå elementer for å ta opp utfordringen med å lage sofistikerte nanoskala-apparater ved å koble mekaniske deler.

Med andre ord, bare å få et molekyl til å rotere i en retning har det vært en stor utfordring. Det kommer til å ta lang tid før de legger sammen signalsystemet og de mekaniske tilkoblingene for å få motorene til å gjøre noe nyttig arbeid.

Bilde 3. Celle-membran

 
Kontrollert tilgang
En annet artikkel i Science undersøker hvordan celler kontrollerer hva som går inn i og ut av cellemembranen. Aktiv transport er nøkkelen til å opprettholde cellen langt fra likevekt, som er en del av hva det betyr å være i live. Naturlig diffusjon ville bringe alt til likevekt, og livet ville stoppe. Nanoteknologer vil gjerne kunne styre passasjer av molekyler, så de studerer celler for å lære deres triks.
Det de finner er et optimeringsproblem -her. Det handler om "maksimering av de riktige tingene: Å prioritere mellom membranpermeabilitet og selektivitet," sier fem forskere fra Korea og Amerika. Ingeniører er alltid på utkikk etter måter å forbedre filtre på ting som "avsalting, dialyse, steril filtrering, matbehandling, dehydrering av luft og andre industrielle, medisinske og miljømessige applikasjoner." Et godt filter kan ikke være for kresent, ellers vil det forsinke prosessen, men det kan ikke være for tillatende, ellers vil 'dårlige ting' lekke gjennom. Disse begrensningene virker ofte mot hverandre. For eksempel, hvordan ville du designe et filter som ville la tennisballer passere, men fortsette å sile ut pingpong-baller? Prøv det for en teknisk utfordring! Likevel lykkes noen membrankanaler i levende celler på noe lignende i atomskala:
I motsetning til syntetiske membraner, utøver biologiske membraner både høy permeabilitet og høy selektivitet. For eksempel er kalium-ionkanalen i cellemembraner tusen ganger mer permeabel for kalium enn natriumioner, til tross for den mindre ioniske (dvs. krystallografiske) størrelsen av natrium og utviser permeasjonshastigheter (~ 10 ^ 8 ioner / s) når de nærmer seg diffusjonsgrensen.
Man kan åpenbart ikke bare justere porestørrelsene i et filter, for å oppnå den slags ytelse. Et godt filter trenger andre måter å diskriminere mellom objekter som prøver å komme igjennom. Hittil, opererer menneskeskapte filtre som er tilstrekkelig diskriminerende, "størrelsesordener langsommere" enn biologiske filtre.

"Alle membraner utøver en prioritering mellom permeabilitet - dvs. hvor raskt molekyler går gjennom et membranmateriale - og selektivitet - dvs. i hvilken grad de ønskede molekylene skilles fra resten. Imidlertid er biologiske membraner som aquaporiner og ionekanaler både svært permeable og svært selektive. Separasjon basert på størrelsesforskjell er vanlig, men det finnes andre måter å enten blokkere en komponent eller forbedre transport av en annen, gjennom en membran."

Ved å etterligne selektivitetsfiltrene i celler har "designfunksjoner fra biologiske membraner blitt brukt for å løse permeabilitets-selektivitets avveiningen." Celler viser at du kan få gjennom tennisballer og holde pingpong-ballene ute. Igjen, forblir mennesker langt bak i denne typen ingeniør-utfordring. Du hører nesten en følelse av ærefrykt i deres jargong:
"Biologiske membraner, som kaliumionkanaler og aquaporiner (fig. 2, E og F), har ekstremt høy selektivitet-permeabilitets-kombinasjoner, som har stimulert nylig innsats for (i) direkte innlemmelse av slike strukturer i membraner, (ii) teoretiske studier med sikte på å forstå optimale strukturer (figur 2G) som kan gi høy permeabilitet og selektivitet, eller (iii) syntetiske membranstrukturer som etterligner eller er inspirert av en eller flere elementer av biologiske membraner. Så langt har inkorporering av for eksempel aquaporiner i membraner blitt gjort via assimilering av aquaporiner i vesikler og integrering av de resulterende vesikler i membraner, men det finnes ingen vellykkede, reproduserbare studier som demonstrerer at denne strategien kan produsere svært selektive membraner. Dermed forblir mye usikkert om deres evne til å bli bearbeidet i de stor-skala, feilfrie strukturer som kreves for praktiske anvendelser, eller om de kan opprettholde tilstrekkelige transport- og selektivitets-egenskaper ved eksponering for komplekse, virkelige fremføringsmekanismer i lengre tidsperioder."

Bilde 4. Tylakoid-membran

Vi kan ikke engang låne celleteknologi så langt, enn si etterligne det. Og selv om vi gjorde det, kan det fungere i lengre perioder i komplekse, virkelige situasjoner?
Den langtekkelige gjennomgang i artikkelen beskriver tilfelle etter tilfelle av behov som krasjer mot krav. Hvordan kan ingeniører bruke karbon-nanorør, grafén og andre trendy materialer for å oppnå cellulær ytelse? Hvis de kunne, kunne alle slags fantastiske applikasjoner være i vår fremtid: bedre avsaltingsanlegg, forbedrede batterier, vannrensing, matbehandling, destillasjon og en rekke medisinske enheter for å skille blod, utføre dialyse, levere medisiner og mye mer. Cellene gjør det så enkelt. Forfatterne har ikke mye å si om hvordan darwinistisk evolusjon oppnådde en slik høy ytelse. Lik ingenting.

Forfatterne bruker de tre siste avsnittene til å diskuterer utsiktene for fremtidig progresjon. "Molekylnivådesign og innsikt, inkludert avansert simulering og modellering, vil være avgjørende for gjennombrudd fremover," sier de. Likevel er vår "grunnleggende forståelse" for filtrering på molekylivå "på et ekstremt rudimentært nivå."

Kort sagt, de beste svarene kommer gjennom bio-mimetikk (biomimetics): ved å etterligne hvordan cellene gjør det. Cellene har lagt lista veldig høyt. Vitenskapens fremtid, både for teoretisk forståelse og bruk, er fokusert på intelligent design. Uten å komme ut og si det forbudte uttrykket, viser disse artiklene det. Nå, hvis de kan få sine molekylære maskiner til å dannes fra andre molekylære maskiner ved å følge kodede instruksjoner, og til å reprodusere seg, vil de virkelig være inne på noe.

Bilde 5. Feltet 'biomimetikk'

Tager: Intelligent Design; Cellen; kinesin.