Кровавые новички
Вольный стиль, брасс, баттерфляй - не эти олимпийские дисциплины служат моделями для французских биоинженеров, которые учат плавать крошечные эритроциты. Они основаны на стиле мидии и спермы. И в итоге получается: что-то вроде спины.
Прыгайте с края бассейна, проплывайте 25 метров, а затем хватайте руками какой-нибудь предмет из воды по плечи. Если бы наши эритроциты захотели заполучить морского конька, они, вероятно, не справились бы с задачей номер один. Потому что для того, чтобы нырнуть из сухой в жидкую стихию, им сначала придется выбраться из мокрой, что им, безусловно, будет непросто. Несколько эритроцитов определенно заслужили бы значок по плаванию. По крайней мере те, которым сейчас помогли плавать французские физики.
Но научиться плавать в таком маленьком возрасте совсем не детская игра. Для того, чей рост измеряется миллионными долями метра, вода не является тонкой и податливой субстанцией, какой мы находим ее, когда купаемся в Средиземном море или в бассейне. В микромире плескаться по своим законам.
Один из этих законов назван в честь известного пловца: scallop, или гребешок, как его называют по-английски. Однако теорема Гребешка, сформулированная американским физиком Эдвардом Перселлом, к самой мидии неприменима. Она относительно крупное существо и живет в том же измерении, что и мы, если говорить о физике плавания.
Благодаря своему неортодоксальному стилю плавания - он многократно медленно открывает створки раковины, а затем резко сжимает их вместе - подвижная мидия использует принцип отдачи, чтобы добиться удивительного прогресса. Однако на несколько порядков ниже, согласно теореме о гребешке, он будет извиваться на месте только при равномерном закрытии закрылков.
В жесткой микросреде подметающее движение должно идти по пути, отличному от толкающего движения, в соответствии с принципом Перселла. Поэтому требуется несколько более сложная технология привода, чем это возможно с раковиной гребешка, оснащенной только одним шарниром. Однако в области одноклеточных организмов есть множество элегантных решений.
У многих бактерий есть вращающийся хвост, которым они торпедируют. Парамеции, напротив, покрыты бесчисленными ресницами. Каждая из них змеится вперед вдоль тела клетки, подобно рукам при брассе, а затем наносит ответный удар полным залпом. Наши сперматозоиды полагаются на третий метод.
Для своей одиссеи к яйцеклетке мужские зародышевые клетки испытывают сильное желание двигаться в своем багаже. Взгляд в микроскоп показывает, что причиной лихорадочного роения является постоянно хлещущий хвост. Поэтому биологи называют бичом хвост из белковых нитей.
Моторные белки, расположенные внутри жгутиков, обеспечивают привод. Когда расходуется энергия, они циклически деформируются, сдвигая отдельные хвостовые нити относительно друг друга и, таким образом, вызывая локальный изгиб жгутиков. В результате от основания хвоста к его кончику бежит волна: хлыст.
Это должна быть волна. Реми Дрейфус и Жером Бибетт из Парижской школы промышленной физики и химии сказали то же самое, когда думали, как лучше всего научить эритроциты плавать. Установка весла, которое просто туго двигается вверх-вниз или вперед-назад, не сработает, как учит гребешок. Требовалось гибкое удлинение клетки, подобное сперматозоиду, и биоинженеры изобрели его.
Они построили цепочку микрометровых бусин в виде хвоста, которые удерживаются вместе нитями ДНК. В то же время нуклеиновые связи между сегментами выступают в роли шарниров расширения искусственной клетки. Особенность плавательного средства: шарики можно намагнитить. Когда Дрейфус и его коллеги прикладывают осциллирующее внешнее магнитное поле, хвост начинает хлестать.
На самом деле эритроциты, в норме пассивно плавающие в кровотоке, продвигаются вперед с прикрепленным хвостом магнитосферы. Или точнее назад. Это потому, что они гребут к концу хвоста, а не к голове, как это делают сперматозоиды. Это связано с тем, что в случае кровяных телец хлыстовая волна начинается со свободного кончика хвоста, а в случае сперматозоидов - с места крепления жгутиков.
Что касается скорости, то абсолютные новички все еще шлепают своими водяными крыльями позади профессионалов. Они проходят около пяти микрометров в секунду - сперматозоиды летают в десять раз быстрее. Их хвост намного более эластичен, чем довольно жесткое продолжение клеток крови.
Кстати, в чем прикол купания? Дрейфус считает, что цепочку из бус в принципе можно прикрепить к любому микрообъекту. Это позволило бы, например, направлять лекарства по венам к определенному месту действия. «Но до такого применения еще далеко», - признается исследователь.
Итак, вернемся к испытанию морского конька. Спасателю нужно немного терпения, чтобы взять на себя вторую задачу. Даже если бы эритроциты могли поддерживать скорость, измеренную в лаборатории, им потребовалось бы почти два месяца для прохождения 25 метров. А для третьей задачи французским физикам пришлось бы придумывать еще более совершенные протезы.