Репліканти, андроїди.. Ми знаємо їх під різними іменами, але те, що відрізняє їх від роботів — це повна морфологічна тотожність до людини. Шкіра, м’язи – візуально все здається нормальним, аж поки не зазирнеш у середину… Зараз уявити щось подібне нереально. А от зі знаннями про те, як створити синтетичні м’язи – цілком можливо.

Звісно, це не просто. Будова живого організму досі приховує безліч таємниць та загадок, до вирішення яких ми навіть не наблизились. Наші власні м’язи, які ми сприймаємо як щось цілком звичне, заводять нас в глухий кут, коли ми намагаємось зрозуміти фундаментальні основи їх функціонування. Саме тому для створення синтетичних м’язів необхідний комплексний підхід з залученням багатьох галузей (хімія, мікробіологія, анатомія…). Це тривалий процес, і одним з його етапів є розуміння того, як саме здійснюється рух м’язів на мікрорівні.

Міозин

“Мотором”, який приводить м’язи до руху, виступає хімічно активний білок міозин. Різні складні комбінації ведуть до виконання м’язами різних функцій, в тому числі скорочення, підтримки серцевого ритму і т.п. Логічно припустити, що для створення дієвих синтетичних м’язів необхідно зрозуміти, яка саме комбінація міозину активує ту чи іншу дію.

“Моторні” білкові системи міозину

“Ми поєднуємо обчислювальний механічний дизайн, який використовувався для розробки різних традиційних систем, таких як автомобілі та архітектура, з біологією”.

— Філіп Ледук, професор машинобудування та біомедичної інженерії.

Вирішити цю проблему на основі мультидисциплінарного підходу взялися науковці з Університету Корнегі-Мелона. Вони займаються розробкою обчислювального підходу для зміни ізоформ міозину та їх колективної організації. Отримані результати допоможуть зрозуміти, як колективна взаємодія різних форм міозину викликає виникнення тієї чи іншої системної форми поведінки. Результати попередніх досліджень були опубліковані в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Для створення формального підходу по проектуванню міозинових систем зі специфічними властивостями було поєднано методи пошукового проектування з біомеханічними основами. Завданням дослідників було розробити обчислювальний підхід для зміни параметрів ізоформ міозину та їх спільної взаємодії. Їм вдалося розробили нову обчислювальну модель, яка утворює системи, у яких мультитипи міозину взаємодіють між собою. В дослідженнях було використано ще два типи білка: актин (котрий в організмі людини разом з міозином є основою скоротливих ниток м’язових волокон) та α-актинін (стабілізує актинові мережі). В розробленій механо-хімічній моделі міозин кріпився до нитки з молекул білка актину, яка рухалася з певною швидкістю. Розроблена механо-хімічна модель продемонструвала переваги над системою з різними поодинокими типами міозину. Передбачення розрахунків підтвердили лабораторні in vitro експерименти з аналізу моторики, в яких датчиками молекулярної сили виступали вже згадані α-актиніни.

Значення дослідження

Те, що зараз роблять дослідники, можна порівняти з винайденням двигуна для автомобільної промисловості. Зазвичай, більшість революційних відкриттів і виглядають як набір математичних розрахунків та обчислень. Проте саме ці обчислення закладають основу для всіх майбутніх науково-технічних революцій.

Результати досліджень по зміні ізоформ міозину дозволять науковцям створити будівельні блоки для синтетичних м’язів. Це, у свою чергу, знайде застосування не лише в медицині, але й в робототехніці.

“Цей обчислювальний метод дозволить нам краще зрозуміти м’язи через один з їх будівельних білків – міозин, та допоможе в створенні синтетичних м’язів в майбутньому”.

— Філліп Ледук.