Вопросы повышения компактности и миниатюризации электромашин (ЭМ) стали весьма востребованы применительно к робототехнике и медицине. Ранее разработанные ЭМ сантиметровой размерности требуют их разработки в миллиметровом диапазоне, что требует применения новых материалов и технологий, которые позволяют повысить полюсность и частоту питания.
Цель статьи состоит в сопоставлении природных ЭМ нанометровой размерности клеток и бактерий с инженерными образцами и наметить пути совершенствования последних.
Схема микродвигателя клетки и бактерии показана на рис. 1 [5]. Расшифровка внутренней мембраны и структуры микродвигателя показаны в нижней части рис. 1.
Для передвижения в жидкой среде некоторые бактерии используют вращающийся жгутик на рис. 1, который приводится микроскопическим электродвигателем, собранным из нескольких белковых молекул, который показан справа от приведенной схемы. Раскручиваясь до 1000 об./мин., жгутик может толкать бактерию вперед с необыкновенно большой скоростью – 100–150 мкм/с. За секунду одноклеточное перемещается на расстояние, превосходящее его длину более чем в 50 раз.
Метаболизм бактерии устроен таким образом, что положительные ионы водорода (протоны) накапливаются между внутренней и внешней мембранами клетки, выделенными желтым цветом. Создается электрохимический потенциал, увлекающий протоны из межмембранного пространства в клетку. Этот поток протонов проходит через «двигатель», приводя его в движение.
Белковую структуру микродвигателя образует комплекс Mot, который состоит из белков Mot A (статора), который выделен красным цветом, и Mot B (ротора), показанного синим цветом. Ионные каналы в них расположены таким образом, что движение протонов заставляет ротор вращаться подобно турбине. Манипулируя структурой белка, некоторые бактерии умеют изменять направление и скорость движения, а иногда даже включать «задний ход».
Протонная АТФ-синтаза – самый маленький в живой природе биологический двигатель шириной всего в 10 нм. С его помощью живые организмы вырабатывают аденозинтрифосфат (АТФ) – вещество, которое служит основным источником энергии в клетке.