Nanomaskiner løfter din arm

Kroppen er fyldt af nanomaskiner. Små proteinmaskiner med en utrolig brændstoføkonomi og en forbløffende evne til at organisere sig, så de fra en submikroskopisk størrelse inde i cellesuppen kan samle tilstrækkelig kraft til at bevæge din arm.

“Al levende bevægelse starter inde i cellen med kræfter, der kun er picoNewton store. Der skal koordineres en fantastisk mængde af disse små bevægelser for at lave det, vi kender som bevægelse.”
Reinhard Lipowsky – Fysiker, forsker i biomolekulære nanomaskiner.

En af de vigtigste opdelinger i vores verden er opdelingen mellem levende og ikke levende. Der er kommet adskillige sofistikerede definitioner på liv de seneste år, men den centrale forskel definerede allerede Aristoteles – det levende er det, der kan bevæge sig selv.
I dag ved vi meget mere om, hvordan liv bevæger sig. Livest bevægelser begynder som ekstremt små bevægelser i nanomaskiner inde i cellen.
Den nyeste viden tegner et billede af disse små molekylære maskiner, der bevæger sig afsted i et uhyre komplekst netværk. De er så små, at de udnytter energien i ét enkelt molekyle ad gangen. De kan slå sig flere sammen om at trække last hen til de rigtige steder i cellen. De kan organisere sig i trillioner af nanomaskiner, der arbejder koordineret sammen – når de gør det, kan de bevæge vores arme og ben.
Reinhard Lipowsky studerer disse nanomaskiner. Han er professor på Max Planck Instituttet for Kolloid- og grænsefladeforskning i Potsdam og er desuden koordinator for et stort fælleseuropæisk netværk for forskning i aktive biomimetiske systemer.
Han udfører grundforskning i nogle af de fundamentale processer i cellen – forskning med et stort potentiale for nye medicinske behandlingsteknikker, hvor man eksempelvis får cellen til at transportere de aktive stoffer de rigtige steder hen.
– Vores mål er at forstå processerne med disse nanomaskiner og at lave modeller af dem. Når vi kan det, vil det forhåbentlig blive muligt at lave biomimetiske maskiner, som kan arbejde inde i cellen – forklarer Lipowsky.

Nanomaskiner på arbejde
Nanomaskinerne i vores celler er enkelte store proteinmolekyler, og de udfører alle mulige opgaver i cellerne. Et af de mest studerede og lettest forståelige er kinesin-molekylet, som er en transport nanomaskine.
Det ligner en lille tændstikmand med to korte ben, en lang tynd krop og to korte arme, men intet hoved. Alle delene består af snoede proteintråde, der i arme og ben folder sig sammen i klumper.
Kinesin er et transportmolekyle med den særlige egenskab, at det kan kravle langs med de mikrotubuli, som udgør en del af cellens indre skelet. Mikrotubuli har en snoet struktur og kinesinets “ben” kan binde sig til hver anden snoning.
Benene trækker kroppen eller stilken efter sig, og armene, som sidder på toppen, kan holde fast i en last. Lasten kan typisk være en vesikel eller et mitokondrie. Vesiklerne er små beholdere af cellemembran, som kan indeholde stoffer, andre dele af cellen har produceret. Mitokondrier er nærmest små mobile kraftstationer, som der findes hundredvis af i cellen. De producerer stoffet ATP, som giver energi til de fleste funktioner i cellen – også kinesinets bevægelse.

Eksprestransport af kemikalier
Et godt eksempel på, hvad sådan en lille kinesinmaskine kan udføre, er transport af kemikalier til spidsen af nervecellers udløber, axonet. De længste udløbere af vores nerveceller kan blive op mod en meter, når de går fra rygmarven til vores tæer eller fingre..
Der skal bruges et bestemt sæt kemikalier ude i spidsen af udløberen for, at nervecellens signalering kan fungere. Kemikalierne produceres i cellekroppen, og hvis stofferne skulle diffundere til axonspidsen via den meget tynde tråd, som axonet er, så ville de aldrig nå frem.
Så vores nervesystem fungerer kun, fordi de små nanomaskiner sørger for en eksprestransport. De trækker nemlig vesikler fyldt med stoffer gennem nervetråden – en lille smule som et lokomotiv, der trækker et eksprestog gennem en tunnel.
Men kinesinmotorens skridt er meget små, kun otte nanometer. Så for at flytte sig en meter, skal de gå omkring 125 millioner skridt. Det er i omegnen af det antal skridt, et flittigt menneske tager i hele sit liv.
Sammenligningen med tog halter imidlertid lidt, fordi kinesin er en vakkelvoren maskine:
– Nanomaskiner er meget forskellige fra de store maskiner vi kender. De bliver for eksempel skubbet af de Brownske bevægelser i vandmolekylerne – forklarer Lipowsky – Gennemsnitlig når de kun at gå hundrede skridt, før de bliver skubbet væk fra mikrotubulien.
De Brownske bevægelser er den tilfældige sitren i alle retninger, som alle molekyler laver hele tiden – jo varmere de er, jo mere bevægelse. Man kunne sammenligne det med et menneske, der bliver skubbet af vindstødene i en storm. Stødene er stærke nok til at banke de små nanomaskiner ud af kurs.

Flere lokomotiver
Problemet kan løses ved at koble flere kinesinmotorer på lasten. Når en slipper, så bliver de andre ved med at trække, og på et tidspunkt kobler der sig en ny motor på.
Lipowsky og hans kolleger har vist, at 7-8 kinesinmotorer vil sikre en nogenlunde konstant fart for lasten.
Det skal også med i sammenligningen, at de mikrotubuli, som kinesinet trækker lasten langs, ikke ligner en lang jernbaneskinne mod målet. De er snarere et ustruktureret netværk, hvor hver enkelt mikrotubuli ikke fører lige mod målet.
Så et bedre billede på, hvordan kinesinet trækker vesikler til spidsen af nerveudløberen, ville måske være en gruppe aber, der svinger sig gennem junglen med en stor kuffert. De taber hele tiden interessen, skal noget andet, bliver sultne. Men der er masser af andre aber, som tager deres lille hurtige tørn med kufferten.

En trillion små mænd
En af de mest imponerende ting ved kinesintransporten er dens evne til at skalere. Et kinesinmolekyle er kun 80 manometer, alligevel kan kinesinsystemet transportere ting over afstande, der er millioner af gange deres egen længde.
Den samme evne til ekstrem skalering findes i muskelsystemet – her er det ikke skalering af afstand men af styrke. Muskelbevægelser laves af en anden nanomotor, myosin.
Myosin ligner kinesin ganske meget, men når det laver muskelbevægelser, sidder det fast mellem to dele af celleskelettet, som det trækker sammen.
Kraften i en enkelt nanomaskine er kun på nogle få picoNewton – det er 10-12 Newton eller en Newton delt med tusinde milliarder. En celle kan levere kraft, der er nogle tusinde gange større, og vores muskler kan levere kraft, der er milliarder gange større.
Så hvis vi udvikler for eksempel ti Newton kraft – svarende til at løfte en liter mælk – så kræver det, at nogle trillioner nanomaskiner arbejder samtidig.
Man tør næsten ikke forestille sig, hvad der foregår af arbejde inde i kroppen, når man svømmer en tur.

Luft og rugbrød
Det er forbløffende, at så kompliceret mekanik kan skjules i så simpel en funktionalitet, som den vi oplever til daglig: Hvis vi trækker vejret og spiser noget brød, så fungerer systemet stort set.
Det kan kun lade sig gøre, fordi koordinationen af de mange små nanomaskiner sker problemløst henover dette fantastiske spænd af størrelse fra molekylet til armen. Processen er kun delvist forstået, den indeholder stadig utilnærmelige mysterier:
– For musklerne kender vi det meste af den elektrokemiske signalvej, men noget tyder på, at der findes globale reguleringssystemer i cellen, som vi ikke ved noget om – er Lipowskys lidt frustrerede kommentar.
Så et stort mysterium, der kan vise sig at indeholde helt nye principper for organisering og signalering i komplekse systemer – eller måske helt nye principper for nanofysik.

Motorerne kan arbejde for os
I deres arbejde med kunstige nanomaskiner har Lipowsky og hans kolleger derfor været nødt til at prøv at styre dem på en anden måde.
– Det er muligt at sætte et lysfølsomt protein ind i nanomaskinen. Så kan et lysglimt starte eller slukke for den, og vi kan styrer millioner af nanomaskiner på en meget let måde – forklarer han.
Der er et stykke vej til den slags kan gøres inde i cellerne. Men i det europæiske forskningsnetværk er de nået til at eksperimentere med hundredvis af nanomaskiner. Nanomaskinerne kan udmærket bruges udenfor kroppen – for eksempel i de sensorer, hvor man kan lave avancerede gentest eller proteintest på en enkelt chip.
Men det er klart, at den virkelige gevinst ligger inde i cellen. Hvis man kan styre transport af medicinsk aktive stoffer til enkelte celler eller celledele, kan det vise sig at være centralt for behandling af kræft og måske for styring af stamceller og vævsregenering.
Reinhard Lipowsky har stor tiltro til, at den slags vil ske indenfor en meget overskuelig årrække. Han tror også, at hans arbejde kan være med til at danne grundlag for en fremtid, hvor vi kan diagnosticere og behandle hver enkelt celle i kroppen.

Fakta:
I artiklen er kinesin og myosin omtalt som en type molekyler, men virkeligheden er betydeligt mere indviklet. Der findes snesevis af varianter af begge molekyler. For mennesket kender man i øjeblikket 41 varianter kinesin, men der findes sandsynligvis flere – fra almindelige husmus kender man 47 varianter.
Mikrotubuli har en plus og en minus ende. Kinesin kan kun bevæge sig hen mod plus. Til transport i den modsatte retning findes et andet molekyle, dynein, med en lige så kompliceret adfærd.

Mere om disse nanomaskiner kan findes her, her og her
En glimrende og lettilgængelig oversigt findes på den engelske udgave af Wikipedia
Reinhard Lipowsky
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung:
Active Biomics network

Skriv et svar

Udfyld dine oplysninger nedenfor eller klik på et ikon for at logge ind:

WordPress.com Logo

Du kommenterer med din WordPress.com konto. Log Out / Skift )

Twitter picture

Du kommenterer med din Twitter konto. Log Out / Skift )

Facebook photo

Du kommenterer med din Facebook konto. Log Out / Skift )

Google+ photo

Du kommenterer med din Google+ konto. Log Out / Skift )

Connecting to %s