Исследователи из России, США и Пуэрто-Рико разработали микроскопические насосы, не представляющие собой механические устройства, которые работают за счет перемещаемых ими жидкостей.

Микронасосы работают за счет превращения химической энергии в энергию движения и могут найти применение во многих областях – от разрушения нервно-паралитических отравляющих веществ до автоматической доставки инсулина в ответ на увеличение концентрации глюкозы.

Как отмечает один из авторов исследования – Аюсман Сен (Ayusman Sen) из Университета Пенсильвании, немеханические самодвижущиеся нано/микронасосы точно контролируют скорость потока и реагируют на определенное воздействие.



Ферменты работают как микроскопические насосы, перенося жидкость-субстрат. (Рисунок из Nat. Chem., 2014, DOI: 10.1038/nchem.1895)

Насосы образованы ферментами, закрепленными на поверхности золота, поверхность которых была обработана для формирования определенных шаблонов. В присутствии определенного жидкого субстрата каталитическое действие ферментов конвертирует химическую энергию в энергию механическую, заставляя жидкость двигаться в определенном направлении без применения внешнего источника энергии. Исследователи изучили четыре различных фермента – каталазу, глюкооксидазу, липазу и уреазу и наблюдали, что скорость перекачивания жидкости увеличивается с увеличением концентрации целевого субстрата. Насосы относительно долговечны, поскольку выбранные ферменты сохраняют активность даже после продолжительного хранения.

Сен подчеркивает, что биологические моторы и насосы работаю за счет действия ферментов, конвертируя химическую энергию АТФ, инициируя его превращение в АДФ, однако результаты нового исследования говорят о том, что могут работать и другие механизмы конверсии химической энергии в механическую. Работа открывает новые возможности для механобиологии, позволяя использовать в транспорте жидкостей ферменты, не связанные с системой АТФ/АДФ.

Новые насосы могут найти применение во многих областях. Так, принцип может быть адаптирован для создания чувствительных к окружающей среде систем доставки лекарственных препаратов. В таких системах положительно заряженный гидрогель может выступать одновременно и носителем ферментов и переносчиком низкомолекулярных соединений, которые должны высвобождаться после активации ферментов субстратом определенного типа. Для доказательства возможностей системы исследователи создали микроустройство, которое высвобождает инсулин в отклик на присутствие глюкозы.

Другое возможное применение – разработка насос, специально спроектированных для нейтрализации нервно-паралитических отравляющих веществ и доставки в организм соответствующих антидотов. Сходным образом можно будет разработать устройства, управляющиеся химическими сигналами, которые, например, выделяют при жизнедеятельности бактерии. Также рассматривается возможность создания систем микронасосов, которые могли бы отзываться сразу на ряд специфических субстратов.