Молекулярный двигатель
Изобретение относится к конструкциям двигателей нанометрового размера, основанных на одной из транспортных систем живой клетки и может быть использовано в наномашинах. Молекулярный двигатель содержит корпус, статор, внешний ротор, резервуар для аденозинтрифосфорной кислоты - АТФ, регулятор давления и концентрации АТФ. В качестве биологической рабочей пары применяются кинезин и микротрубочка, при этом кинезины - биологические линейные двигатели закреплены на наружной поверхности статора по окружности в ряд, а микротрубочки, состоящие из мономерных глобул - α-тубулин и β-тубулин, закреплены в пазу на внутренней поверхности ротора. Статор - цилиндр, закрытый с двух сторон полусферическими оболочками, имеет отверстия в стенке для выхода АТФ, расположенные вблизи кинезинов. Внутри статора установлен золотник, обеспечивающий при поворотах вокруг продольной оси статора открытие и закрытие отверстий для выхода АТФ к кинезинам. В торцевой части золотника закреплен трубопровод подачи АТФ. Золотник имеет привод от пьезомеханизма. На внешней поверхности статора выполнены буртики для удержания АТФ вблизи кинезинов. На внешней поверхности ротора закреплена ведущая шестерня. Изобретение позволяет обеспечить точную и равномерную по времени подачу АТФ к кинезинам. Использование пары кинезин и микротрубочка повышает равномерность и стабильность вращения ротора, так как кинезин имеет две глобулярные головки, одна из которых обязательно находится в жестком зацеплении с глобулярным мономером микротрубочки. Использование пары кинезин и микротрубочка повышает удельную мощность двигателя, так как в работе одновременно участвуют все кинезины. 4 н.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к конструкциям двигателей нанометрового размера, основанных на одной из транспортных систем живой клетки, и может быть использовано в наномашинах [http://nts.nm.ru/text/moldv.htm - «Молекулярные двигатели для нанотехники»].
Известны биологические линейные нанодвигатели, имеющиеся в клетках живых организмов, ответственные за сократительную активность, подвижность и транспортные процессы в клетке - актомиозиновый комплекс и кинезиновый комплекс [http://bio. 1 september.ru - А.Н.Тихонов. Мышечное сокращение. Биология. №41 (713), 1-7. 11.2003], [Dennis J., Howard J., Vogel V. Molecular shuttles: directed motion of microtubules along nanoscale kinesin tracks. Nanotechnology 10, 232-236 (1999)], [Hess H., Clemmens J., Qin D., Howard J. & Vogel V. Light-controlled molecular shuttles made from motor proteins carrying cargo on engineered surfaces. Nano Letters 1, 235-239 (2001)].
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является молекулярный двигатель [Патент на изобретение: Molecular motors. US 2002/0083710, A1, Schneider, Thomas D.; Lyakhov, Ilya Gennaddiyevich; заявлено 04.07.2002.], содержащий внутренний статор с закрепленными на его поверхности миозинами и внешний ротор с закрепленными на его внутренней поверхности актинами, а также он содержит каналы в стенке ротора для подвода аденозинтрифосфорной кислоты - АТФ как биологического топлива для взаимодействия протеиновой пары - актина и миозина.
Недостатком указанного двигателя является неравномерность подачи топлива к актину и миозину, прерывание работы миозина при относительном прохождении вблизи отверстий в стенке ротора, низкая удельная мощность двигателя, так как в работе одновременно участвует только 10-15% миозинов.
Задача изобретения - устранение указанных недостатков, то есть получение конструкции с равномерной подачей топлива, высокой удельной мощностью, элементом менее инертного управления.
Задача решается тем, что предлагаемый молекулярный двигатель содержит корпус, статор, внешний ротор, резервуар для аденозинтрифосфорной кислоты - АТФ, регулятор давления и концентрации АТФ, отличающийся от прототипа тем, что в качестве биологической рабочей пары применяются кинезин и микротрубочка, при этом кинезины - биологические линейные двигатели закреплены на наружной поверхности статора по окружности вряд, а микротрубочки, состоящие из мономерных глобул - α-тубулин и β-тубулин, закреплены в пазу на внутренней поверхности ротора. Статор - цилиндр, закрытый с двух сторон полусферическими оболочками имеет отверстия в стенке для выхода АТФ, расположенные вблизи кинезинов. Внутри статора установлен золотник, обеспечивающий при поворотах вокруг продольной оси статора открытие и закрытие отверстий для выхода АТФ к кинезинам. В торцевой части золотника закреплен трубопровод подачи АТФ. Золотник имеет привод от пьезомеханизма [http://piezo.rsu.ru/catalog/ - НКТБ Пьезоприбор. Ростов-на-Дону]. На внешней поверхности статора выполнены буртики для удержания АТФ вблизи кинезинов. На внешней поверхности ротора закреплена ведущая шестерня.
Такое выполнение позволяет обеспечить точную и равномерную по времени подачу АТФ к кинезинам. Использование пары кинезин и микротрубочка повышает равномерность и стабильность вращения ротора, так как кинезин имеет две глобулярные головки, одна из которых обязательно находится в жестком зацеплении с глобулярным мономером микротрубочки. Использование пары кинезин и микротрубочка повышает удельную мощность двигателя, так как в работе одновременно участвуют все кинезины.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 - поперечный разрез двигателя, на фиг.2 - разрез А-А фиг.1.
Молекулярный двигатель содержит корпус 1, в котором закреплен статор 2 - цилиндр, закрытый с двух сторон полусферическими оболочками 3 и 4, имеющий отверстия 5 в стенке для выхода аденозинтрифосфорной кислоты - АТФ. На наружной поверхности статора 2 вблизи отверстий 5 закреплены кинезины 6. Внутри статора 2 с возможностью вращения закреплен золотник 7 с отверстиями 8, которые соответствуют отверстиям 5 в стенке статора 2, обеспечивающий при поворотах вокруг продольной оси открытие и закрытие отверстий 5 для выхода АТФ. Статор 2 имеет буртики 9 для удержания АТФ вблизи кинезинов 6. Золотник 7 связан с приводом 10 пьезомеханизма 11, обеспечивающего поворот золотника на определенный угол. В золотник вставлен трубопровод 12 для подачи АТФ. Трубопровод 12 через гибкий трубопровод 13 и далее через регулятор давления и концентрации АТФ 14 связан с резервуаром для АТФ 15. В пазу 16 на внутренней поверхности ротора 17 закреплены микротрубочки 18, состоящие из мономерных глобул 19 - α-тубулин и β-тубулин, взаимодействующие с кинезинами 6. На внешней поверхности ротора 17 закреплена шестерня 20. Пьезомеханизм 11 закреплен на опоре 21, резервуар для АТФ 15 закреплен на опоре 22, корпус 1 закреплен на опоре 23. Опоры 21, 22, 23 установлены на основании 24.
Двигатель работает следующим образом. При пуске молекулярного двигателя полость золотника 7 через трубопровод 12 заполняется АТФ, создается избыточное давление. В необходимый момент пьезомеханизм 11 через привод 10 поворачивает золотник 7 на угол, соответствующий соосности отверстий 5 и 8. АТФ заполняет пространство между буртиками 9 и подходит к кинезинам. Кинезины используют АТФ в качестве топлива и перемещают по окружности мономерные глобулы 19 - α-тубулин и β-тубулин, из которых состоят микротрубочки 18. За один "шаг" кинезин 6 перемещает мономерную глобулу 19 на 8 нм. Вращающий момент отводится от шестерни 20, закрепленной непосредственно на роторе 17. Изменение частоты вращения ротора 17 осуществляется регулированием подачи АТФ с помощью регулятора давления и концентрации АТФ 14. Остановка двигателя происходит при выключении регулятора давления и концентрации АТФ 14 и последующем повороте золотника 7, который перекрывает отверстия 5 подачи АТФ к кинезинам 6. Охлаждение молекулярного двигателя осуществляется посредством отвода теплоты вместе с отработавшими продуктами. Отработавшие продукты вытесняются из пространства между двумя буртиками 9 вновь поступающим количеством АТФ.
1. Молекулярный двигатель, содержащий корпус, статор, внешний ротор, резервуар для аденозинтрифосфорной кислоты АТФ, регулятор давления и концентрации АТФ, отличающийся тем, что в качестве биологической рабочей пары применяются кинезин и микротрубочка, при этом кинезины - биологические линейные двигатели - закреплены на наружной поверхности статора по окружности в ряд, где статор, являясь цилиндром, имеет отверстия в стенке для выхода АТФ, расположенные вблизи кинезинов, а микротрубочки, состоящие из мономерных глобул α-тубулин и β-тубулин, закреплены в пазу на внутренней поверхности ротора.
2. Молекулярный двигатель по п.1, отличающийся тем, что внутри статора установлен золотник, обеспечивающий при поворотах вокруг продольной оси статора открытие и закрытие отверстий для выхода АТФ к кинезинам и имеющий трубопровод подачи АТФ, закрепленный в торцевой части.
3. Молекулярный двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что золотник имеет привод от пьезомеханизма.
4. Молекулярный двигатель по п.1, отличающийся тем, что на внешней поверхности статора выполнены буртики для удержания АТФ вблизи кинезинов.
5. Молекулярный двигатель по п.1, отличающийся тем, что на внешней поверхности ротора закреплена ведущая шестерня.
