นาโนเทคโนโลยี  หน่วยที่ 3(ส่วนแรก): นาโนเทคโนโลยีจากระบบธรรมชาติสู่การสังเคราะห์ นาโนเทคโนโลยีชีวภาพในระบบธรรมชาติ (4)
 
          หากพิจารณาภายในเซลล์แล้วจะพบได้ว่า  ในระบบชีวภาพมีจักรกลนาโนที่ทำหน้าที่เป็นมอเตอร์  ที่คอยให้กำลังในการเคลื่อนไหวแก่อวัยวะย่อยต่างๆ มากมาย  และมีหลากหลายวิธีการที่แตกต่างกัน   จักรกลนาโนที่มีบทบาทหน้าที่ดังกล่าวนี้ที่เป็นที่รู้จักกันดี และผ่านการศึกษาค้นคว้าจนกระทั่งสามารถเข้าใจกลไกต่างๆ ของระบบที่เกิดขึ้นแล้ว จักรกลนาโนนี้ก็คือ มอเตอร์เชิงเส้นของกล้ามเนื้อที่มี โปรตีนไมโอซิน (myosin) เป็นผู้แสดงบทบาทสำคัญของกลไก และมอเตอร์เชิงเส้นของไมโครทิวบิล (microtubule) ที่มี โปรตีนไคเนซิน (kinesin) เป็นผู้แสดงบทบาทสำคัญของกลไกเช่นเดียวกัน
 
 
 
          ไมโอซินเป็นมอเตอร์โปรตีนที่พบได้เฉพาะในเซลล์ยูคาริโอต  โดยเป็นมอเตอร์โปรตีนที่ทำงานประสานร่วมกันกับสายยาวของแอคติน (actin)   ซึ่งทำหน้าที่เกี่ยวข้องการหดตัวของกล้ามเนื้อ  โดยที่การหดตัวของกล้ามเนื้อเกิดจากการเลื่อนของเส้นใยโปรตีนสายบาง (thin filament) ที่อยู่สองข้างของหน่วยปฏิบัติการเข้าหาเส้นใยโปรตีนสายหนา (thick filament) มีผลทำให้การเหลื่อมซ้อนกันของเส้นใยโปรตีนสายบางและเส้นใยโปรตีนสายหนาเพิ่มขึ้น  จึงทำให้เกิดการหดตัวของกล้ามเนื้อเกิดขึ้น
 
 
          การเลื่อนของเส้นใยโปรตีนสายบางเข้าหาเส้นใยโปรตีนสายหนา เกิดขึ้นได้โดยที่ไมโอซินยื่นส่วนหัวมาเกาะกับบริเวณที่จำเพาะบนโมเลกุลของแอคทินในเส้นใยโปรตีนสายบาง แล้วดึงสายแอคทินให้เลื่อนเข้ามาสู่ศูนย์กลางของหน่วยปฏิบัติการเพื่อการหดตัวของกล้ามเนื้อ  ซึ่งในการดำเนินการของกระบวนการนี้  ศูนย์กลางของกระบวนการเกิดจากการที่  มอเตอร์เชิงเส้นของกล้ามเนื้อมีจักรกลนาโนที่เป็นโปรตีนไมโอซินขนาดยาวประมาณ 150 นาโนเมตรเป็นตัวเคลื่อนที่ตามสายยาวของแอคติน  โดยแต่ละโมเลกุลของไมโอซินจะดำเนินการสร้างกำลังคันชัก (power stroke) ในแต่ละช่วงเวลาที่ผ่านไปบนแอคติน
 
          มอเตอร์นาโนของโปรตีนไมโอซินถูกสร้างเป็นแนวทอดยาวต่อกันเป็นอย่างเป็นลำดับ   แนวยาวของมอเตอร์ไมโอซินนี้ทำหน้าที่ร่วมกันในการสร้างกำลังคันชักเพื่อดึงสายยาวของแอคติน  ส่วนที่ใหญ่ที่สุดของไมโอซินคือส่วนหัวที่มี 2 หัว  และเป็นส่วนที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (catalytic domain) ให้เกิดการไฮโดรไลซิสกับโมเลกุลของเอทีพี  ซึ่งส่วนหัวนี้จะประกอบไปด้วยบริเวณที่ใช้จับกับแอคตินและบริเวณที่เป็นร่องเพื่อมีไว้จับกับโมเลกุลของเอทีพี (adenosine triphosphate : ATP)  โดยเมื่อได้รับพลังงานจากโมเลกุลเอทีพี  จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในส่วนที่ยื่นออกมาของไมโอซินและทำให้คานงัดเกิดการขยายตัว  ทำให้แอคตินหลุดออกจากการเกาะจับกับไมโอซิน 
 
 
 
          การทำงานของมอเตอร์เชิงเส้นของกล้ามเนื้อโดยมอเตอร์นาโนโปรตีนไมโอซินนี้ ประกอบไปด้วยวงจรของจักรกลนาโนไมโอซินที่มีลำดับขั้นตอนรวมทั้งสิ้น 3 ลำดับขั้นตอน โดยในขั้นตอนแรก เริ่มต้นจากเมื่อมีโมเลกุลพลังงานสูงคือโมเลกุลเอทีพีเคลื่อนที่มาจับกับมอเตอร์โปรตีนไมโอซิน ทำให้ส่วนหัวของโปรตีนไมโอซินหลุดออกจากการเชื่อมติดกับสายแอคติน จากนั้นขั้นตอนที่สองเกิดขึ้นเมื่อโมเลกุลเอทีพีที่มายึดติดถูกทำให้แตกตัวออกเป็นโมเลกุลเอดีพี (adenosine diphosphate : ADP) และฟอสเฟต  อันเป็นสาเหตุทำให้เกิดการเหยียดตัวออกที่บริเวณส่วนหัวของโปรตีนไมโอซิน  ทำให้สามารถเคลื่อนที่เข้าสู่บริเวณที่จะใช้เชื่อมติดกับสายของแอคตินได้อีกครั้ง และขณะเดียวกันก็ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงลักษณะของคานงัดให้อยู่ในลักษณะโค้งงอ และในขั้นตอนสุดท้าย  เมื่อโมเลกุลฟอสเฟตหลุดออกไปจากโปรตีนไมโอซิน ก็จะทำให้ไมโอซินถูกทำให้เหยียดตรง และก่อให้เกิดเป็นกำลังคันชักของไมโอซิน  เพื่อทำการเลื่อนสายแอคตินเข้าสู่ศูนย์กลางของหน่วยปฏิบัติการเพื่อการหดตัวของกล้ามเนื้อ (ทำให้เกิดการกระจัดเป็นระยะประมาณ 10 นาโนเมตร  ซึ่งเป็นระยะการเคลื่อนที่ระดับนาโนจริงๆ เลย) ส่วนโมเลกุลเอดีพีที่ยังคงอยู่หลังจากนั้นก็จะหลุดออกมาและถูกแทนที่ด้วยโมเลกุลเอทีพีโมเลกุลใหม่ ส่งผลให้ไมโอซินไม่ถูกเชื่อมติดกับสายแอคตินอีกครั้งหนึ่ง  และทำให้พร้อมสำหรับกำลังคันชักครั้งต่อไปอย่างเป็นวงจร
 
 
 
 
 
          ไคเนซินเป็นมอเตอร์โปรตีนที่ทำงานประสานร่วมกันกับไมโครทิวบิลภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต โดยมอเตอร์โปรตีนไคเนซินสามารถที่จะเปลี่ยนรูปพลังงานเชิงเคมีคือพลังงานเอทีพี  ไปเป็นพลังงานเชิงกลเพื่อที่จะเคลื่อนที่ในลักษณะของการเคลื่อนที่เชิงเส้นไปบนไมโครทิวบิล และลำเลียงหรือขนส่งถุงบรรจุของเหลวซึ่งมีสารสัญญาณประสาท [หรือที่เรียกว่าเวสิเคิล (vesicle)]  และอวัยวะย่อยต่างๆ ภายในเซลล์ และมอเตอร์โปรตีนไคเนซินยังทำหน้าที่เกี่ยวกับการแยกตัวของเซนโทรเมียร์ (centromere) ที่ยึดโครมาทิดสองเส้นให้ติดกัน  การแยกกันของเซนโทรเมียร์ทำให้โครมาทิดพี่น้อง (sister chromatids) แยกออกจากกัน  เพื่อเคลื่อนไปยังคนละขั้วของเซลล์อีกด้วย [ซึ่งเกิดขึ้นในระยะแอนาเฟส (anaphase) ของไมโทซิส (mitosis)]
 
โปรตีนไคเนซินที่ทำหน้าที่เป็นมอเตอร์ลำเลียงเวสิเคิลที่บรรจุสารสัญญาณประสาท
 

          ไคเนซินประกอบไปด้วยส่วนที่เป็นสายหนาที่เป็นหัว (heavy chain) 2 ส่วน และส่วนสายบางที่เป็นก้าน (light chain) อีก 2 ส่วน โดยส่วนที่เป็นสายหนาจะเป็นบริเวณที่ประกอบไปด้วยมอเตอร์ที่ใช้ในการเคลื่อนที่ไปบนไมโครทิวบิล และส่วนที่ใช้จับตัวกันโมเลกุลเอทีพี อีกทั้งมีส่วนที่เป็นก้านยาวที่เป็นส่วนเชื่อมต่อระหว่างสายหนาและสายบาง  ส่วนบริเวณของสายบางจะเป็นส่วนที่ยึดติดกับสัมภาระที่บรรทุกมาในเวสิเคิลและอวัยวะย่อยต่างๆ

 
          มอเตอร์เชิงเส้นของไมโครทูบูลมีจักรกลนาโนที่เป็นโปรตีนไคเนซิน  เป็นตัวเคลื่อนที่ตามสายยาวของไมโครทิวบิล โปรตีนไคเนซินเป็นมอเตอร์ที่ทำงานให้เกิดการเคลื่อนที่  ในลักษณะวิธีการที่แตกต่างกันกับมอเตอร์นาโนไมโอซิน  มอเตอร์เชิงเส้นของไมโครทิวบิลนี้  ใช้การเคลื่อนที่ในลักษณะที่เป็นแบบสุ่มแบบมีทิศทางไปบนไมโครทิวบิล  โดยการเคลื่อนที่ที่เกิดขึ้นเป็นผลจากการเปลี่ยนแปลงลักษณะรูปร่างของส่วนที่เป็นคานงัด (ในลักษณะจากความไม่เป็นระเบียบไปสู่ความเป็นระเบียบ)   โดยการเคลื่อนที่นี้จะได้รับกำลังจากการแตกตัวของโมเลกุลเอทีพี  เพื่อทำให้เกิดกำลังคันชัก (power stroke) เพื่อทำให้เกิดการเคลื่อนที่ได้ 
 
 
 
          การทำงานของมอเตอร์เชิงเส้นของไมโครทิวบิลนี้  ประกอบไปด้วยโปรตีนไคเนซินซึ่งมีโครงสร้างที่ประกอบไปด้วย 2 หน่วยย่อยของมอเตอร์ที่เชื่อมต่อเข้าด้วยกัน วงจรการทำงานของมอเตอร์นาโนนี้เริ่มต้นจากหน่วยย่อยหนึ่งของมอเตอร์นี้ว่างเปล่า  และอีกหน่วยย่อยหนึ่งจับอยู่กับโมเลกุลของเอดีพี  จากนั้นโมเลกุลของเอทีพีจะเคลื่อนที่เข้าจับกับหน่วยย่อยของมอเตอร์ที่ว่างเปล่าอยู่ ทำให้คานงัดทำการเคลื่อนที่หน่วยย่อยอีกหน่วยหนึ่งไปด้านหน้า  โดยการชักหน่วยย่อยที่อยู่ด้านหลังขึ้นให้พ้นจากไมโครทิวบิล  และส่งตัวไปข้างหน้าในตำแหน่งร่องถัดไปบนไมโครทิวบิล  (ทำให้เกิดการเลื่อนและเคลื่อนที่ไปได้ด้วยระยะการกระจัดประมาณ 8 นาโนเมตร  มหัศจรรย์การเคลื่อนที่ระดับนาโนเหมือนกันเลย)  เมื่อหน่วยย่อยที่เลื่อนที่ไปข้างหน้านั้นเชื่อมติดกับร่องของไมโครทิวบิลอีกครั้ง ก็จะทำให้โมเลกุลของเอดีพีที่อยู่ภายในถูกปล่อยหลุดออกไป และทำให้โมเลกุลของเอทีพีที่ยึดติดอยู่กับหน่วยย่อยที่ตอนนี้อยู่ข้างหลังนั้น  เกิดการแตกตัวเป็นโมเลกุลเอดีพและฟอสเฟต พร้อมทั้งปล่อยฟอสเฟตให้หลุดออกไป ทำให้คานงัดคลายตัวให้อยู่ในลักษณะของความไม่เป็นระเบียบอีกครั้ง  และพร้อมที่จะดำเนินการในขั้นตอนต่อไปอีกครั้งอย่างเป็นวงจร โดยวงจรที่ต่อเนื่องนี้จะทำให้มอเตอร์นาโนของโปรตีนไคเนซิน  เกิดการเลื่อนที่เดินไปตามสายยาวของไมโครทิวบิล  เพื่อลำเลียงเวสิเคิลและอวัยวะย่อยต่างๆ ไปสู่เป้าหมายที่ถูกกำหนดไว้