Biologische Nano Motoren

[Manf]

Salmonellen Bakterien haben zur Fortbewegung Flagellen, spiralförmige Geißeln, die mit rotierenden Aktoren angetrieben werden. Die Motoren werden auch selfassembling Nano Motors genannt, was aber eigentlich klar ist, wenn sie biologischer Natur sind.
Welche Daten hat man für einen solchen Motor ermittelt?
Durchmesser, Drehzahl, Drehmoment, Wirkungsgrad?
Wie groß ist die Auflösung mit der der Strom bei der Analyse des Motors gemessen wurde?

Welche Probleme ergeben sich aus der Form und der Anordnung der Geißeln beim Betrieb an einem rotierenden Motor und wie erfolgt der Antrieb, um zu einer gerichteten Fortbewegung zu kommen?
Manfred

Leider ist dieser Film in dem die meisten Details erklärt werden 34min lang mit 1MB/min, aber sehr interessant.

http://www.nanonet.go.jp/english/mailmag/2004/files/011a.wmv



http://www.nanonet.go.jp/english/mailmag/2004/files/011a1s.jpg

http://www.nanonet.go.jp/english/mailmag/2004/files/011a4.jpg

[Spion]

Hallo

Drehzahl: 20'000 U/min
Wirkungsgrad: 80%

mfg Luca

[Manf]

Ja, sehr gut soweit, hast Du den ganzen Film gesehen oder hast Du eine andere Quelle gefunden?

Durchmesser
Drehzahl 20000U/min
Drehmoment
Wirkungsgrad 80%
Welche Probleme ergeben sich aus der Form und der Anordnung der Geißeln beim Betrieb an einem rotierenden Motor
wie erfolgt der Antrieb, um zu einer gerichteten Fortbewegung zu kommen

[Spion]

Ich habe mir einen Teil des Films angesehen, leider verstehe ich nicht alles (ist ja in Englisch).

mfg Luca

[HannoHupmann]

Also soweit ich das verstanden habe wird der Motor mit Hilfe von Protonen betrieben. Die Masse der Protonen ist bekannt, die Abmessungen eines Motors konnte ich leider nicht ermitteln Somit lässt sich schlecht etwas über das Drehmoment sagen.

Wenn man allerdings davon ausgeht, dass ein Proton eine Masse von 1,67x10^-27kg hat, der Radius im Motor nicht mehr als 1nm beträgt dann komm ich bei 80% Wirkungsgrad auf 1,33x10^-37 Nm.

Anders schauts beim Stromverbrauch aus. Hier wird gesagt, dass ein Gerät zum Einsatz gekommen ist welches femto Ampere messen kann. Auch wird gesagt das die Stromaufname bei 1x10^-14 A liegt. Was mit dem Bild auf dem Osziloskop bei Zeitindex 31:39 übereinstimmt. Die Sakala ist in 50er Schritten und es sind somit ungefähr 130 fA und das entspricht 1x10^-14 A

Soweit meine Analysen das Projetk läuft übrigens unter dem Namen ERATO

[Manf]

Das mit dem Strom ist erst mal auf alle Fälle richtig.
Der Strom wird mit im Bereich von tens of femto Amperes genannt.
Ich habe mir das Bild in 31:39 auch noch einmal angesehen es sind zwei Skalen eine mit 0 50 100 und eine mit -200 0 +200.
Ich habe noch gar nicht interprätiert wie groß der Strom jetzt genau ist.
Manfred

Der Titel des Films (unten im Player) heißt:
Title: A Rotary NanoMachine - Understanding the Structure and Dynamics of Bacterial Flagella -
Interpret / Quelle: Protonic NanoMachine Project, ERATO
...
Wenn man beispielsweise den Titel ein Google eingibt, dann kommt man auf die Seite
http://www.nanonet.go.jp/english/mailmag/2004/011a.html
auf der weitere Infos zum Motor stehen.

[Manf]

Nachdem ich die Seite http://www.nanonet.go.jp/english/mailmag/2004/011a.html angegeben habe übertrage ich die Antworten die dort noch stehen in die Lösung.
Die Zahlen (min:sec) sind die Filmstelle als Referenz.

Es bleibt nur noch der Punkt, wie man mit den Antriebsspiralen steuert.

Auf der Seite stehen im Überblick über das Projekt einige Daten wie der Durchmesser des Motors mit 30nm. Die Drehzahl ist 20000Rpm (4:12) und die Leistung ist 10^-16W (4:25). Hieraus lässt sich das Moment mit 5*10^-20Nm bestimmen.

Da es wieder recht unanschauliche Größen sind kann man ja zwischendurch mal berechen wie sich ein solches Bakterium beim Radwechsel*) anstellen würde, wenn es mit seinem gesamten Körpergewicht auf einen Radmutternschlüssel drücken würde der so lang ist wie sein ganzer Körper.
Das Körpergewicht liegt bei einem Volumen von 1µm x 1µm x 2µm (1:29) bei 2x10^-14N und der Hebelarm wäre 2µm, also wäre das Moment 4x10^-20Nm. So groß ist auch etwa das Moment mit dem es seine Flagellen bewegt.
*)Welcher Vergleich fällt einem sonst zu 50 zepto-Newton-Metern ein?

Der Strom der zur Bewegung nötig ist wäre bei einer Spannung von einem Volt gerade P/U = 10^-16A. Im Film wird gesagt (31:39), dass ein Strom von einigen 10^-14A gemessen werden muss vielleicht sind es dann etwa 10^-13A. (Das klingt dann nach einer Niederspannungsausführung.)

Damit haben wir erst mal die gesuchten Daten. (Im Vergleich mit anderen Quellen zeigt es sich, dass es Abweichungen von mehr als 50% gibt, es geht nur um die Größenordnung.)

[Manf]

Dann die abschließende Antwort:
Welche Probleme ergeben sich aus der Form und der Anordnung der Geißeln beim Betrieb an einem rotierenden Motor und wie erfolgt der Antrieb, um zu einer gerichteten Fortbewegung zu kommen?

Die Form der Flagellen ist eine zylindirische Spirale etwa wie ein Korkenzieher der aus der Masse hinter dem Bakterium herausgedreht wird und damit den Schub leistet. Bei konstanter Drehung aller Flagellen des Bündels kommt es erst einmal ganz gut voran, wenn auch nur geradeaus.

Dabei ist es schon erstaunlich, dass die Flagellen, die mit 1000-fachem Längen zu Durchmesser Verhältnis wie Schnüre aussehen, sich nicht verheddern. (Wenn sie elastisch ihre Form behalten und einigermaßen glatt sind müsste es gehen, es geht ja offensichtlich auch.)

Nach der Beschreibung wechselt nun der Antrieb in unregelmäßigen Abständen die Dreh-Richtung in Millisekunden bis Sekunden Intervallen. Das ist zumTeil erstaunlich kurz denn in 3ms macht der Motor ja gerade mal eine Umdrehung. Wenn es damit dann einfach so weitergeht müsste sich das Bakterium rückwärts bewegen und die Korkenzieher müssten sich endgültig ineinander drehen und verhaken.

Die Richtungsänderung wird aber so rasch ausgeführt, dass daraufhin der Drehsinn der Spirale umklappt und wiederum ein Abstoßen nach hinten erfolgt.

Das Bündel fällt bei diesem Vorgang auseinander und es kann eine Richtungssteuerung erfolgen. - Ich vermute durch den individuellen Antrieb einzelner Flagellen - die sonst durch die Strömung zu einem dichten Bündel in Stromlinienform zusammengefasst sind. Das wurde nicht ganz so deutlich gesagt aber die Bilder der bewegten Bakterien lassen es erahnen.
Manfred

[gast1234]

Interessanter fände ich die Frage, ob ein Sperium, welches bekanntlich nur eine Geißel besitzt, fähig ist, eine anderen Richtung einzuschlagen.
Reicht vielleicht bereits ein Flagellum dafür aus und wenn ja, wie lässt sich das durch den strukturellen Aufbau erklären?

Auf der einen Seite weiss man, dass die Spermien einem Duft folgen. Dies würde auf eine Lenkung schließen lassen. Aber während der Zeit des Eisprungs wird der Zervixschleim im Muttermund flüssiger und erlaubt nur ein gerichtetes Forwärtskommen der Spermien. Damit wird prinzipiell der Weg des Spermiums vorgegeben, welcher auch nicht verlassen werden kann. Das sogenannte Farnkrautphänomen spricht also nicht sehr für eine eigenständige Lenkung.

[Manf]

Schön, dass Interesse an der weiteren Diskusion besteht. Es ist aber doch eine deutliche Ausweitung des Themas (hier ist ja nur das Quizforum). Möchtest Du ein paar Grundlagen zu der neuen Fragestellung in einem Thread zusammenstellen oder ist es ein Bereich in dem Du Dich selbst noch nicht so gut auskennst? Vielleicht reicht ja auch die Frage selbst.
Es ist aber auch zu berfürchten, dass die Untersuchungen an einzelnen Typen recht unterschiedlich weit fortgeschritten ist, diese Untersuchung an Salmonellen ist immer noch relativ neu, wenn man bedenkt wann die Ergebnisse herauskamen und wielange es gedauert hat zu Ergebnissen zu kommen. Es ging allerdings auch um die sehr viel eingehendere Analyse des atomaren Aufbaus des Bewegungsapparates.
Manfred

[gast1234]

Dass ich im falschen Forum bin, habe ich gar nicht bemerkt, da ich über die "letzten Themen" zum Beitrag kam.
Da ich momentan kein Material beisteuern kann, befürchte ich, dass für einen eigenen Beitrag die Frage an sich wohl nicht ausreicht. Wenn Konkreteres vorliegt, kann man nochmal darüber nachdenken. Falls jemand mitrecherchieren möchte, im Wikipedia-Artikel des Spermiums http://de.wikipedia.org/wiki/Spermium#Fortbewegung wird unter Fortbewegung auf das Buch "Reise zum Mittelpunkt des Frühstückseis" von Len Fisher verwiesen.

Dann wünsche ich weiterhin fröhliches Rrätseln.