活生物体的细胞广泛使用生物纳米机器:大小小于千万分之一米的复杂或简单系统。纳米机器也被病毒使用，病毒是一种不能在宿主细胞外繁殖的生命形式，它们需要以某种方式渗透到宿主细胞中。数百万年的进化导致了特殊结构的出现，这些结构有助于病毒将其遗传物质(DNA或RNA)放入受感染的细胞中。最成功的是由两根蛋白质管组成的注射器状装置:一根插入另一根。随着外圆筒的收缩，内圆筒刺穿膜，信息分子被注入细胞。

图1所示。T4尾噬菌体伸展(a, b)和收缩(c, d)状态。面板(a, c)(基于数据[N。M. Taylor等人，自然[j] .植物学报，2016,533,346-352])显示了鞘蛋白螺旋在伸展和收缩状态中的一个。内管的基本细胞(b, d)由以实心黑线为界的圆柱形平行四边形表示。每个细胞对应于内管的一个蛋白质分子。鞘中的蛋白质螺旋由小的平行四边形表示，其中心与蛋白质的位置一致。在扩展状态(a, b)，内外管的结构是相称的:参数(δz， δφ)，解释在(e, f)中，两个管是相同的。在理想收缩状态下(d)，鞘的蛋白质螺旋沿着内管初级细胞的对角线排列，可通约性再次出现。

纳米机器的两个管状细胞器:中空的内部管——“剑”和它的盖子协同工作，确保成功渗透到细胞内。在与受害者的膜表面接触后，由轻微扭曲的螺旋形成的外管经历了重组——它收缩和缩短。与此同时，隐藏在外管下的一把坚硬的“剑”开始发挥它的重要作用:它暴露并刺穿细胞膜。正如我们所展示的，与该机制相关的结构转换保持了内管和收缩外管对称性之间的某种关系(称为通约性)(图1)。

任何工作都需要能量，所有的系统都只能使用它们内部的“积蓄”来运行，而这些积蓄不可能完全被消耗掉。这一原理同样适用于注射器纳米机器。鞘的伸展状态具有最大的内能。隐藏在内部的“剑”影响收缩过程的几何形状，使系统以最小的能量移动到状态，并做一个伟大的工作。我们发现了一个美丽而简单的原理，根据这个原理，当纳米机器运行时，外管的参数(蛋白质环之间的距离和它们之间的角位移)会发生变化。通约性的出现既降低了“剑”与鞘的相互作用能量，也降低了系统的内部能量。获得的增益允许“剑”增加刺穿细胞膜的力，使纳米机器更有效地工作。

研究噬菌体使用的注射器纳米机器的结构和功能原理对抗生素治疗具有重要意义，特别是在有害微生物对传统抗生素产生耐药性的情况下。此外，噬菌体是一种很有前途的基因工程载体(纳米容器)。我们相信，我们发现的分子纳米机器的结构现象可以在其他类似的，但研究还很少的纳米物体中观察到。例如，帮助海洋动物在太空中导航的类似噬菌体的结构，类似注射器的细胞器和其他一些纳米装置。无论如何，了解到分子纳米机器的管在被触发后可以变得相称，将允许构建这些生物系统的更精确的结构模型。

谢尔盖·b·罗沙尔¹，Daria S. Roshal¹，安娜·e·米亚斯尼科娃¹，弗拉基米尔·洛曼^2
1南方联邦大学物理系，5 Zorge街，344090，俄罗斯，顿河畔罗斯托夫
²Charles Coulomb实验室，UMR 5221 CNRS和法国蒙彼利埃大学，ple . Bataillon，法国蒙彼利埃34095

出版

可收缩喷射纳米机器中蛋白质纳米管之间的通约性。
Rochal SB, Roshal DS, Myasnikova AE, Lorman VL
纳米尺度。2018年1月3日

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