Motoarele moleculare sunt ansambluri de proteine din mediul celular al organismelor vii care, prin pliere și procese chimice complexe, pot efectua mișcare mecanică în diverse scopuri, cum ar fi transportul de materiale sau sarcini electrice în citoplasma unei celule sau replicarea ADN-ului și a altor compuși. . Proteinele motorii moleculare sunt, de asemenea, fundamentale pentru contracțiile și acțiunile musculare, cum ar fi mișcarea bacteriilor printr-un tip de mișcare de înot condusă de elice. Majoritatea motoarelor moleculare naturale obțin energia chimică pentru mișcare din același proces de bază pe care organismele îl folosesc pentru a produce energie pentru susținerea vieții – prin descompunerea și sinteza compusului adenozin trifosfat (ATP).
Deși la un nivel de bază motoarele moleculare îndeplinesc multe dintre aceleași funcții ca și motoarele electro-mecanice la scara umană macroscopică, ele funcționează într-un tip de mediu mult diferit. Cea mai mare parte a activității motorii moleculare are loc într-un mediu lichid care este condus de forțe termice și direct afectat de mișcarea aleatorie a moleculelor din apropiere, cunoscută sub numele de mișcare browniană. Acest mediu organic, împreună cu natura complexă a plierii proteinelor și a reacțiilor chimice pe care se bazează un motor molecular pentru a funcționa, a făcut ca înțelegerea comportamentului lor să fie una care a necesitat zeci de ani de cercetare.
Cercetările în nanotehnologie la scară atomică și moleculară s-au concentrat pe luarea de materiale biologice și pe fabricarea de motoare moleculare care seamănă cu motoarele cu care ingineria de zi cu zi este familiarizată. Un exemplu proeminent în acest sens a fost un motor construit de o echipă de oameni de știință de la Colegiul Boston din Massachusetts din SUA în 1999, care consta din 78 de atomi și a durat patru ani de muncă pentru a fi construit. Motorul avea un ax rotativ care avea nevoie de câteva ore pentru a face o singură rotație și era proiectat să se rotească într-o singură direcție. Motorul molecular s-a bazat pe sinteza ATP ca sursă de energie și a fost folosit ca platformă de cercetare pentru a înțelege fundamentele tranziției energiei chimice în mișcare mecanică. Cercetări similare au fost finalizate de atunci de către oamenii de știință olandezi și japonezi folosind carbon pentru a produce motoare moleculare sintetice alimentate de energie luminoasă și termică, iar încercări recente, începând cu 2008, au dezvoltat o metodă pentru crearea unui motor care produce un nivel continuu de cuplu de rotație.
Din punct de vedere biologic, motoarele moleculare au o listă diversă de funcții și structuri. Motoarele de transport majore sunt alimentate de proteinele miozină, kinesină și dineină, iar actina este proteina majoră prezentă în contracțiile musculare observate la specii la fel de diverse precum algele pentru oameni. Cercetările privind modul în care funcționează aceste proteine au devenit atât de detaliate începând cu 2011, încât se știe acum că, pentru fiecare moleculă de ATP pe care o consumă o moleculă de kinesină lungă de 50 de nanometri, aceasta este capabilă să deplaseze încărcătura chimică pe o distanță de 8 nanometri. o celulă. Kinesin este, de asemenea, cunoscut ca fiind eficient cu 50% în transformarea energiei chimice în energie mecanică și capabil să producă de 15 ori mai multă putere pentru dimensiunea sa decât ar putea un motor standard pe benzină.
Miozina este cunoscută a fi cel mai mic dintre motoarele moleculare, dar este esențială pentru contracțiile musculare, iar o formă de ATP numită ATP sintaza este, de asemenea, un motor molecular utilizat pentru a construi adenozin difosfat (ADP) pentru stocarea energiei ca ATP. Cu toate acestea, poate cel mai remarcabil motor molecular natural descoperit începând cu 2011 este cel care alimentează mișcarea bacteriilor. O proiecție asemănătoare părului pe spatele unei bacterii numită flagel se învârte cu o mișcare condusă de elice care, dacă ar fi mărită la nivelul uman al motoarelor de zi cu zi, ar fi de 45 de ori mai puternică decât un motor pe benzină obișnuit.