Механизмы, созданные природой, по многим параметрам значительно превосходят те, что разработаны человеком. Свойства мышц живых организмов могут быть интересны в грядущей эпохе биоробототехники при создании энергоэффективных механизмов. Результаты обзорного исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Frontiers in Bioengineering and Biotechnology.
Мышцы двустворчатых моллюсков обладают уникальным преимуществом, которое отличает их от современных биологических актуаторов (при́водов). Биоробототехника как направление находится все еще в зародышевом состоянии. Исследованию сократительного состояния, свойственного мышцам моллюсков, — запирательного тонуса (catch), посвящены десятки научных работ. За более чем столетний период изучения явления ученые всего мира выдвинули множество гипотез о формировании запирательного тонуса, однако до сих пор не определен конкретный механизм, ответственный за это состояние.
В состоянии запирательного тонуса замыкатели створок двустворчатых моллюсков (они же запирательные мышцы) способны продолжительное время поддерживать развитое усилие практически без затрат энергии. В то же время понятно, что расход энергии скелетными мышцами и скорость, с которой они устают, очень высоки. Это легко проверить, если ненадолго остановиться и принять статичную позу, например, поднять руку вверх. Удивительно, но способность запирательной мышцы сохранять развитое усилие сближает её с классическими рукотворными механизмами, которые в состоянии покоя практически не потребляют энергию. Выяснение механизма, лежащего в основе запирательного тонуса, повлияет на восприятие биологической подвижности в целом.
В настоящей работе научный коллектив Лаборатории биофизики клетки Национального научного центра морской биологии им. А.В. Жирмунского (ННЦМБ) ДВО РАН под руководством Вячеслава Дячука вместе с новым подходом к изучению запирательного тонуса предлагает под новым углом взглянуть на применимость этих исследований на практике. Авторы предполагают, что изучение молекулярных механизмов сократительных аппаратов позволит перенести их преимущества в актуальную биоробототехнику. Представьте себе невероятно энергоэффективные машины, способные регенерировать (а значит, и не изнашиваться), не уставать и легко масштабироваться от клеточного до макроуровня.
В работе ученые попытались собрать воедино всю разрозненную информацию о действии, функциях, специфических свойствах, развитии и нейрорегуляции запирательных мышц моллюсков. Авторы изучили как молекулярное устройство сократительного аппарата запирательных мышц, так и свойства отдельных белков, его формирующих. Запирательная мышца моллюска гладкая и по своему строению мало отличается от других гладких мышц, а сократительный аппарат имеет те же базовые структуры, что и все известные науке мышцы — тонкие и толстые нити. Этот факт позволяет экстраполировать предложенные в работе подходы и на другие типы мышц. В процессе исследования ученые переосмыслили фундаментальные данные об отдельных белках, и об устройстве сократительного аппарата запирательных мышц.
«Наши исследования показывают, что возможность реконструкции полнофункциональной модели запирательной мышцы, полностью контролируемо и обратимо переключающейся из одного состояния в другое, фактически может послужить инструкцией к созданию энергоэффективных синтетических мышц», - рассказывает автор проекта, поддержанного грантом РНФ, Илья Вятчин, кандидат биологических наук, научный сотрудник Лаборатории биофизики клетки ННЦМБ ДВО РАН.
Полученные в результате данные имеют большую научную значимость и будут полезны не только учёным, работающим в области биологической подвижности, но и, как надеются авторы, станут стимулом для разработки и развития биоробототехники. Нет сомнений, что для разработок будущего способность синтетических мышц к формированию подобия запирательного тонуса станет выгодным приобретением, одним из свойств, которые выделят биосинтетические актуаторы на фоне обычных механических моторов.
На схеме представлено 2 возможных на текущем этапе развития технологий подхода к реализации биооснованных актуаторов. Первый (а, b, e)– путь использования целой запирательной мышцы, помещенной в питательную среду, и сочлененной с основой для передачи механического усилия. Второй (c, d, e) – использование экстрагированных гладкомышечных клеток, внедренных в субстрат, и применяемых аналогично цельной мышце (e).
Источник: Национальный научный центр морской биологии им. А.В. Жирмунского ДВО РАН
