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.
«Наши исследования показывают, что возможность реконструкции полнофункциональной модели запирательной мышцы, которая полностью контролируемо и обратимо переключается из одного состояния в другое, фактически может послужить инструкцией к созданию энергоэффективных синтетических мышц», — рассказал автор проекта, научный сотрудник лаборатории биофизики клетки Национального научного центра морской биологии им. А.В. Жирмунского (ННЦМБ) ДВО РАН кандидат биологических наук Илья Вятчин.
Мышцы двустворчатых моллюсков обладают уникальным преимуществом, которое отличает их от современных биологических актуаторов (при́водов). Биоробототехника как направление находится всё ещё в зародышевом состоянии. Исследованию сократительного состояния, свойственного мышцам моллюсков, — запирательного тонуса (catch), посвящено десятки научных работ. За более чем столетний период изучения явления учёные всего мира выдвинули множество гипотез о формировании запирательного тонуса, однако до сих пор не определён 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 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 биороботехнику и привести к разработке энергоэффективных машин, способных регенерировать (а значит, и не изнашиваться), не уставать и легко масштабироваться от клеточного до макро-уровня.
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.
Результаты обзорного исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Frontiers in Bioengineering and Biotechnology.
