Οι μοριακοί κινητήρες είναι συγκροτήματα πρωτεϊνών μέσα στο κυτταρικό περιβάλλον των ζωντανών οργανισμών που, μέσω πολύπλοκων αναδιπλώσεων και χημικών διεργασιών, μπορούν να εκτελούν μηχανική κίνηση για διάφορους σκοπούς, όπως η μεταφορά υλικών ή ηλεκτρικών φορτίων μέσα στο κυτταρόπλασμα ενός κυττάρου ή η αντιγραφή του DNA και άλλων ενώσεων . Οι μοριακές κινητικές πρωτεΐνες είναι επίσης θεμελιώδεις για τις μυϊκές συσπάσεις και ενέργειες, όπως η κίνηση των βακτηρίων μέσω ενός τύπου κολυμβητικής κίνησης με έλικα. Οι περισσότεροι φυσικοί μοριακοί κινητήρες αντλούν χημική ενέργεια για κίνηση από την ίδια βασική διαδικασία που χρησιμοποιούν οι οργανισμοί για να παράγουν ενέργεια για υποστήριξη της ζωής — με τη διάσπαση και τη σύνθεση της ένωσης τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP).
Αν και σε βασικό επίπεδο, οι μοριακοί κινητήρες εκτελούν πολλές από τις ίδιες λειτουργίες με τους ηλεκτρομηχανικούς κινητήρες σε μακροσκοπική ανθρώπινη κλίμακα, λειτουργούν σε πολύ διαφορετικό τύπο περιβάλλοντος. Η περισσότερη μοριακή κινητική δραστηριότητα λαμβάνει χώρα σε ένα υγρό περιβάλλον που οδηγείται από θερμικές δυνάμεις και επηρεάζεται άμεσα από την τυχαία κίνηση των κοντινών μορίων, γνωστή ως κίνηση Brown. Αυτό το οργανικό περιβάλλον, μαζί με την περίπλοκη φύση της αναδίπλωσης των πρωτεϊνών και των χημικών αντιδράσεων στις οποίες βασίζεται ένας μοριακός κινητήρας για να λειτουργήσει, έχει κάνει την κατανόηση της συμπεριφοράς τους που χρειάστηκε δεκαετίες έρευνας.
Η έρευνα στη νανοτεχνολογία σε ατομική και μοριακή κλίμακα έχει επικεντρωθεί στη λήψη βιολογικών υλικών και στην κατασκευή μοριακών κινητήρων που μοιάζουν με τους κινητήρες με τους οποίους η καθημερινή μηχανική είναι εξοικειωμένη. Ένα εξέχον παράδειγμα αυτού ήταν ένας κινητήρας που κατασκευάστηκε από μια ομάδα επιστημόνων στο Κολέγιο της Βοστώνης της Μασαχουσέτης στις ΗΠΑ το 1999, ο οποίος αποτελείται από 78 άτομα και χρειάστηκε τέσσερα χρόνια εργασίας για να κατασκευαστεί. Ο κινητήρας είχε έναν περιστρεφόμενο άξονα που θα χρειαζόταν αρκετές ώρες για να κάνει μία περιστροφή και ήταν σχεδιασμένος να περιστρέφεται μόνο προς μία κατεύθυνση. Ο μοριακός κινητήρας βασίστηκε στη σύνθεση ATP ως πηγή ενέργειας και χρησιμοποιήθηκε ως ερευνητική πλατφόρμα για την κατανόηση των θεμελιωδών αρχών της μετάβασης της χημικής ενέργειας σε μηχανική κίνηση. Έκτοτε ολοκληρώθηκε παρόμοια έρευνα από Ολλανδούς και Ιάπωνες επιστήμονες που χρησιμοποιούν άνθρακα για την παραγωγή συνθετικών μοριακών κινητήρων που τροφοδοτούνται από φως και θερμική ενέργεια και πρόσφατες προσπάθειες από το 2008 ανέπτυξαν μια μέθοδο για τη δημιουργία κινητήρα που παράγει συνεχές επίπεδο περιστροφικής ροπής.
Βιολογικά, οι μοριακοί κινητήρες έχουν ποικίλη λίστα λειτουργιών και δομών. Οι κύριοι κινητήρες μεταφοράς τροφοδοτούνται από τις πρωτεΐνες μυοσίνη, κινεσίνη και δυνεΐνη, και η ακτίνη είναι η κύρια πρωτεΐνη που υπάρχει στις μυϊκές συσπάσεις που παρατηρούνται σε είδη τόσο διαφορετικά όσο τα φύκια στους ανθρώπους. Η έρευνα για το πώς λειτουργούν αυτές οι πρωτεΐνες έχει γίνει τόσο λεπτομερής από το 2011 που είναι πλέον γνωστό ότι, για κάθε μόριο ATP που καταναλώνει ένα μόριο κινεσίνης μήκους 50 νανομέτρων, μπορεί να μετακινήσει χημικό φορτίο σε απόσταση 8 νανόμετρων. ένα κελί. Η κινεσίνη είναι επίσης γνωστό ότι είναι 50% αποτελεσματική στη μετατροπή της χημικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια και ικανή να παράγει 15 φορές περισσότερη ισχύ για το μέγεθός της από ό,τι ένας τυπικός βενζινοκινητήρας.
Η μυοσίνη είναι γνωστό ότι είναι ο μικρότερος από τους μοριακούς κινητήρες, ωστόσο είναι απαραίτητος για τις συσπάσεις των μυών και μια μορφή ATP που ονομάζεται συνθάση ATP είναι επίσης ένας μοριακός κινητήρας που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία διφωσφορικής αδενοσίνης (ADP) για αποθήκευση ενέργειας ως ATP. Ίσως ο πιο αξιοσημείωτος φυσικός μοριακός κινητήρας που ανακαλύφθηκε από το 2011, ωστόσο, είναι αυτός που τροφοδοτεί την κίνηση των βακτηρίων. Μια προεξοχή που μοιάζει με τρίχα στο πίσω μέρος ενός βακτηρίου που ονομάζεται μαστίγιο περιστρέφεται με μια κίνηση που κινείται με έλικα, η οποία, αν κλιμακωθεί στο ανθρώπινο επίπεδο των καθημερινών κινητήρων, θα ήταν 45 φορές πιο ισχυρή από τον μέσο βενζινοκινητήρα.