Архитектура оболочек бактерий. Какую архитектуру имеет

Архитектура оболочек бактерий.
Какую архитектуру имеет оболочка бактерий? Как белки образуют в процессе
фолдинга сложные пространственные структуры оболочек вирусов и
бактерий? Какие структуры и способы их образования у бактерий можно
применять в проектировании оболочек для человека?
Белки живых существ имеют спиральное строение, характеризующееся своей
левизной. Асимметричная левоспиральная структура — несомненно основа
жизни. Асимметрия протоплазмы если говорить строго кристаллографическим
языком, характеризуется полным отсутствием инверсионных осей, а в том
числе и центра и плоскости симметрии. Запрещенные оси симметрии, у
кристаллов, пятого, шестого, седьмого и более порядков часто встречаются в
мире микроорганизмов и растений. Оси пятого порядка распространены у
вирусов и встречаются наиболее часто. Это пятерная симметрия жизни.
Использование пятерной симметрии обеспечивает организмам возможность
выживания среди мертвых костных тел. С ее помощью они противостоят
кристаллизации в неорганической среде. Белки формируют оболочки с
винтовыми осями симметрии. Они в отличии от кристаллов могут иметь
винтовые оси с дробными числами.
Вся наша современная цивилизация работает и держится на винтах.
Другой составляющей производства человека с древнейших времен являются
сетчатые структуры или ткани.
Сетчатый структуры применяется человеком в разных областях.
При изготовлении обоев, ткани, оболочек зданий и резервуаров, облицовке
стен, плетеной мебели, рыболовных и спортивных сетей.
В природе сетчатый орнамент часто встречается, например в биологических
тканях, чешуи рыб, пчелиных сотах, прожилках крыльев насекомых, листьев,
каркасах оболочек клеток кожи и в клеточной стенке бактерии.
Сетчатые структуры с косыми осями пригодны для движения по косым
направлениям, например в метро или оформлении лестничных клеток.
Сетки без вертикальных плоскостей симметрии подчеркивают движение по
горизонтальной плоскости например для коридоров и автостоянок.
Сетки и решётки основа микромира и сегодня невозможно заниматься новыми
технологиями без знания какие они бывают.
Например.
Опорным каркасом клеточной стенки бактерий и синезеленых водорослей
служит в значительной степени однородный полимер - пептидогликан или
муреин. Муреин состоят из пептида и гликана. Упруго-гибкий каркас,
окружающий бактериальную клетку, представляет собой одну гигантскую
каплевидную молекулу сложного полисахарида-пептида. Каркас этот
называют муреиновым мешком, он способен скручиваться и раскручиваться,
ввинчиваясь в среду с помощью жгутиков. Основа структуры муреинового
мешка - сеть параллельных полисахаридных цепей, построенных из
чередующихся дисахаридов (ацетилглюкозамин, соединенный с
ацетилмурамовой кислотой), связанных многочисленными пептидными
поперечными связями. Длина цепочек гликана может быть огромной - до
нескольких сот дисахаридных блоков.
Гликана значительно больше. Он образует трубчатую или гофрированную
поверхность бактерии. Иногда структура педидогликана имеет 3D сетчатую
или сотовую архитектуру в сочетании с другими белками, иногда
закручивается по спирали.
Грам-положительные бактерии имеют клеточные стенки из многих слоев
пептидогликана.
Пептидогликан обеспечивает защиту и поддержку содержания бактерии.
Слой пептидогликана образован двумя криволинейными цепочками
переменного аминосахара, N-ацетилглюкозамина (NAG) и N-ацетилмурамовой
кислоты (NAM). Эти сахара связаны пептидной связью в виде мостиков.
Пептидная связь всегда имеет ориентацию перпендикулярно поверхности и
вдоль длинной оси бактерии.
Нитей гликана больше, чем пептидных поперечных мостиков.
Расположение гликана является одним из основных структурных детерминант
в слоистом муреине.
Для разных сред и разных штаммов бактерий мжно представить себе
варианты для размещения нитей гликана в один слой:
1 - гликан располагается вдоль продольной оси бактерии,
2 - гликан расположен перпендикулярно к продольной оси ,
3 - гликан расположен по спирали вокруг поверхности клетки,
4 - в виде сочетаний участков на поверхности с регулярно расположенными
параллельнными гликанами, вместе с участками случайной ориентации
гликанов
5 - гликан расположен в виде сетки Вороного
6 - гликан расположен в виде сетки Делоне
7 - гликан расположены в виде гексагональной сетки
8 - или без всякого порядка.
В основном бактерии состоят из цилиндрической части имеющей продольную
ось вращения, которую закрывает две полярные полусферической области.
Полусферические поверхности имеют на полюсах отверстия для крепления
жгутиков и расположения органов ориентации.
Известно, что бактерия лучше деформируется в направлении продольной оси.
Муреин обладает высокой гибкостью и эластичностью, его
площадь поверхности может обратимо увеличена в три раза без разрыва.
Муреин достаточно упругий и может обратимо расширяться и сокращаться, и
это его свойство образуется за счет гибкости соединения из пептида, тогда как
нить гликана довольно жесткая.
Было предположено, что муреин гликанов и пептиды расположены
перпендирулярно мембране или продольной оси, образуя тонкий слой у
грамотрицательных видов и толстой многослойной структуры в
грамположительных видов бактерий.
Муреин состоит из нитей гликана, которые сшиты с помощью коротких
пептидов и таким образом сформирована сетчатая полимерная структура,
которая окружает цитоплазматическую мембрану бактерии.
Муреин (пептидогликан) образует экзоскелет большинства бактерий
способный выдерживать огромные нагрузки и температуры.
Каким же образом удается сформировать такие структуры? Исходя из
геометрических построений, Крик и Уотсон заключили, что молекулы белка
при эквивалентных взаимодействиях друг с другом должны формировать
сферу с элементами симметрии. Например, капсидам вирусов свойственны
два основных типа архитектуры.
Это — палочковидная, как например у вируса табачной мозаики
(ВТМ), где капсид построен из упакованных по спирали идентичных
субъединиц белка, взаимодействующих с геномной РНК по всей длине
частицы, и сферическая с икосаэдрическим типом симметрии
основа. Ее субъединицы одного типа способны формировать, как гексамеры
так и пентамеры.
Возможно у бактерий белки способны соединятся в одну нить и сворачиваться
по спиральной траектории образуя стабильную сетчатую оболочку.
В последние несколько лет, благодаря атомно-силовой микроскопии (АСМ)
был создан мощный метод визуализации в области микробиологии, что
позволяет нам визуализировать наноразмерную 3D архитектуру живой клетки.
Понимание пространственного расположения пептидогликана является
сложной проблемой и его трехмерная организация остается темой для спора.
Нити гликанов, как полагают, расположены в параллельных плоскостях,
перпендикулярных к продольной оси бактерии, это обручи или спирали из
гликана сшитые по спирали пептидами..
Эта модель опирается на последних экспериментальные данные.
Не следует забывать о том, что природные наномашины пока совершеннее и
проще тех, которые планирует изготовить человек, поэтому исследователи
изучают в первую очередь то, что предлагает нам природа.
Вначале все же образуются прообразы спиралей (но в отличии от
иерархической модели — эти спирали не стабилизируются), а затем идет
создание межспиральных связей, формируется форма петли спиралей. И
только затем стабилизация.
Поэтому вытянутая цепочка гликана — более выгодна для моделирования.
Возможно гликан обладает памятью формы, и способен реагировать на
электрические импульсы или тепло. В изучении этого механизма и
архитектуры оболочки бактерии есть чисто практическая цель — для
конструирования оболочек для человека и для лучшего понимания процесса
сворачивания белка чтобы «получить из конкретного начальное положения
любое заданное конечное состояние».
Математики и физики обычно хотят найти идеальную формулу и все сделать
по ней. Биологи и химики не верят в формулы и предпочитают численные
эксперименты исходя из базовых факторов.
Скажем, базовый фактор для фолдинга РНК в том, что части молекулы имеют
тепловое движение. Никогда не происходит такого, что одна часть
провернулась, а вторая все это время стоит. Это попросту невозможно. Тогда
как при тепловом движении сразу всех частей молекулы мы имеем
постепенный динамический сдвиг общего состояния в глобальный минимум,
который можно вычислить статистически путем применения генетических
алгоритмов самоорганизующийся белок следует по какому-то специальному
«пути сворачивания», и та структура, где этот путь заканчивается, и является
его нативной структурой, вне зависимости от того, есть ли еще более
стабильная укладка цепи, или нет. Иными словами, нативная структура белка
определяется не стабильностью, не термодинамикой, а кинетикой, т.е. она
соответствует не глобальному, а просто быстро достижимому минимуму
свободной энергии цепи.
Сегодня уже требуется изобретать новый язык для мира биотехнологий.
До сих пор фолдинг был наукой, сегодня он превращается в искусство.
Добро пожаловать в эпоху биодизайна.
Биотех 21 века принципиально отличается от своих старших родственников в
промышленности. Это технология небольших и гибких производств всего без
отходов и минимальными затратами энергии. Это не гигантские стройки и
машины для убийства, это персональные бионические умные машины для
продолжения и разнообразия жизни. Бионическая технология имеет дело с
уникальными материалами и новыми знаниями о пространстве и
микроархитектуре позаимствованными у бактерий.
Мир будущего кишит, течет, капает, бурлит, булькает, пускает пузыри, пукает, он
эластичный и подвижный, как младенец.
Уже сегодня бактериям мы обязаны всем. Вся нефть и газ - это продукты
жизнедеятельности бактерий. У бактерий есть свое радио и свой интернет. Их
механизмы выживания превосходят человеческие в миллионы раз. Они
прирожденные генетические инженеры и без высшего образования. Для роста
и выживания они способны запросто передавать участки своих ДНК-РНК другдругу. Свои компьютеры они изобрели миллионы лет назад. Человек только
пытается их имитировать. У некоторых бактерий нет даже ядра, главного
центра любого компьютера. Они способны жить и образовывать свои
общества без указки из центра. Им точно не требуются писанные законы,
дума, депутаты и Кремль. Они любят радиацию и биоразнообразие. Они через
шелест листьев на земле разговаривают с нами голосами наших предков.
Иногда, через пророков, изобретателей и ученых они дают указания какие
формы и растения культивировать, каких животных приручать. Проблема в
том, что большинство людей, их голоса, просто не слышит. Бактерии — это
океан Солярис, способный в трудные годы посылать нам островки памяти
способные возбуждать чувство жизни с новой силой. Чтобы это увидеть и
попытаться понять теперь достаточно просто посмотреть на экран цифрового
телевизора с каналом прямого эфира из жизни бактерий в рядом стоящем
аквариуме.
«Постой», — сказал старичок. И он показал Пьеру глобус. Глобус этот был
живой, колеблющийся шар, не имеющий размеров. Вся поверхность шара
состояла из капель, плотно сжатых между собой. И капли эти все двигались,
перемещались и то сливались из нескольких в одну, то из одной разделялись
на многие. Каждая капля стремилась разлиться, захватить наибольшее
пространство, но другие, стремясь к тому же, сжимали ее, иногда уничтожали,
иногда сливались с нею. — Вот жизнь, — сказал старичок учитель. «Как это
просто и ясно, — подумал Пьер. — Как я мог не знать этого прежде». — В
середине Бог, и каждая капля стремится расшириться, чтобы в наибольших
размерах отражать его. И растет, сливается, и сжимается, и уничтожается на
поверхности, уходит в глубину и опять всплывает. Вот он, Каратаев, вот
разлился и исчез. — Vous avez compris, mon enfant, — сказал учитель. — Vous
avez compris, sacre nom, — закричал голос, и Пьер проснулся.
Лев Толстой «Война и мир»
Автор: Юрий Шевнин.
Рисунки автора.