Så tämjs muskelmotorn

En kemisk fabrik som är så liten att fabriksområdets egen järnväg fraktar enstaka molekyler. Det kan bli följden av en svensk satsning på att tämja musklernas minsta beståndsdelar.Muskeln är en mycket lyckad konstruktion. Den är inblandad i det mesta som rör sig i djurriket. Nu vill svenska forskare använda muskelcellens molekylära motor till att sätta saker och ting i rörelse även i tekniska system. Rent tekniskt har motorn imponerande prestanda. Den har bättre verkningsgrad än vanliga bilmotorer. Den är så gott som fri från miljöfarliga utsläpp, och har dessutom snabb och steglös övergång mellan olika hastigheter. Till på köpet är den fri från buller. Muskelmotorn består av två proteiner som kallas aktin och myosin. Den drivs med ATP, ett energirikt ämne som bildas i ämnesomsättningen. Motorn är kanske mest känd för att göra så att vi kan röra våra armar och ben, och så att våra hjärtan kan slå (se rutan på sidan 33). Men den finns också i cellskelettet, där den gör så att våra celler kan dela sig. Evolutionens mest lyckade uppfinningar har en förmåga att komma till användning på många vis. Fabrik på ett chipsNu arbetar svenska forskare alltså med att använda muskelproteiner i tekniska system. Deras mest fantasieggande projekt går ut på att bygga fabriker i molekylskala. I projektet ingår fysiker från institutionen för fasta tillståndets fysik vid Lunds Tekniska högskola, samt biologer och kemister från Institutionen för kemi och biomedicinska vetenskaper vid Högskolan i Kalmar. Forskargruppen vill försöka fästa muskelns molekylmotor på ett kiselchips, och använda den till att flytta andra molekyler. Med hjälp av nanolitografi – en tillverkningsmetod för integrerade kretsar – etsar man mikroskopiska spår på en kiselplatta, där myosinmolekylerna kan läggas ut som en räls. Och här handlar det verkligen om smalspårig räls. Spårvidden motsvarar en tusendel av ett hårstrås tjocklek! Aktinmolekylerna blir järnvägsvagnar. Man vet att man kan ”lasta” aktinmolekylerna med andra kemiska ämnen. Om man sedan häller över cellbränslet ATP börjar aktinmolekylerna att slingra sig längs myosinspåren och bära iväg med sin last. Man skapar alltså produktionslinjer där transportbanden består av muskelproteiner som kan transportera enskilda molekyler från en punkt till en annan. Vägval och hastighet kan kontrolleras med hjälp av elektromagnetiskt styrda växlar. Aktinmolekylerna är av naturen elektriskt laddade. Mycket små elektroder kan få dem att att välja önskad väg i korsningar, eller att stanna vid hållplatser för att släppa av sin last genom att ge dem en liten elektromagnetisk knuff. Fabriker åldras snabbtLedaren för projektet, muskelfysiologen Alf Månsson vid Högskolan i Kalmar, understryker att ”chipsfabrikerna” ännu är på visionsstadiet. – Vi vet att vi kan fästa myosin i spåren på chipset. Vi vet också att vi kan få aktinet att bära med sig en last och att det går att styra rörelsernas hastighet och riktning med hjälp av elektriska fält. Det nya i projektet är att samordna alltsammans till en fungerande process, säger Alf Månsson.De molekyler man vill flytta kan t ex vara nanorör, rörformiga kolmolekyler med speciella elektriska egenskaper. Nanorören fungerar som halvledare. De skulle kunna användas som elektroniska komponenter i en ny generation av mindre och effektivare integrerade kretsar. Nya datorer som är ännu kraftfullare än dagens hägrar. Det kan också bli möjligt att styra kemiska reaktioner genom att transportera de ämnen som ska reagera med varandra till utvalda platser och avlägsna produkterna efter fullbordad reaktion.På sikt vill man dock helst ersätta den naturliga muskelmotorn med en vidareutvecklad syntetisk version. Muskelmotorn är nämligen liksom övriga biomolekyler lite ”svårskött”. För att denna biologiska motor ska fungera måste den till exempel vara nedsänkt i en vattenlösning med lämplig salthalt. Vidare måste motorn av åldersskäl bytas ut efter någon timme. Flera forskningsfält på samma spårTrots dessa begränsningar är Alf Månsson djupt fascinerad av muskelproteiner. Han har studerat dem i många år och förundras fortfarande över att miljontals små molekylrörelser kan samverka till en smidig och perfekt avpassad kroppsrörelse. För honom är musklers förmåga att röra sig ett av naturens underverk, väl värt att studera för dess egen skull. Men det finns som sagt också många sätt att använda kunskap om muskler i praktiken. Om man förstår detaljerna kring hur muskler drar ihop sig så blir det lättare att tillverka motordrivna proteser som rör sig utan att rycka och knycka. I förlängningen hoppas forskarna också att kunskapen ska leda till nya och effektivare motorer. Och kunskap om hur kemikalier och elektriska fält påverkar muskelproteinerna kan ge en uppfattning om miljöns hälsoeffekter på musklernas arbete. För forskarna själva har arbetet med den molekylära modelljärnvägen lett till samarbete över traditionella ämnesgränser. Fysiker, kemister och biologer har växlat in på samma vetenskapliga spår.ANNA ROHDE är vetenskapsjournalist. Forskningen som beskrivs i artikeln finansieras av Vetenskapsrådet, Crafoordska stiftelsen och Högskolan i Kalmar.Läs mer om naturen som förebild på www.fof.se