Co jsou to molekulární motory?

Molekulární motory jsou soubory proteinů v buněčném prostředí živých organismů, které mohou složitým složením a chemickými procesy provádět mechanický pohyb pro různé účely, například pro transport materiálů nebo elektrických nábojů v cytoplazmě buňky nebo replikaci DNA a dalších sloučenin. . Molekulární motorické proteiny jsou také zásadní pro svalové kontrakce a akce, jako je pohyb bakterií prostřednictvím typu plaveckého pohybu poháněného vrtulí. Většina přírodních molekulárních motorů odvozuje chemickou energii pro pohyb ze stejného základního procesu, který organismy používají k výrobě energie pro podporu života - rozkladem a syntézou sloučeniny adenosintrifosfátu (ATP).

Ačkoli molekulární motory na základní úrovni plní mnoho stejných funkcí jako elektromechanické motory v makroskopickém měřítku člověka, fungují v mnohem odlišném typu prostředí. Většina molekulární motorické aktivity se odehrává v kapalném prostředí, které je poháněno tepelnými silami a je přímo ovlivněno náhodným pohybem blízkých molekul, známých jako Brownův pohyb. Toto organické prostředí, spolu se složitou povahou proteinového skládání a chemických reakcí, na které spoléhá molekulární motor, funguje tak, že získalo pochopení svého chování, které trvalo desetiletí výzkumu.

Výzkum v oblasti nanotechnologií na atomové a molekulární úrovni se zaměřil na odběr biologických materiálů a výrobu molekulárních motorů, které se podobají motorům, se kterými je každodenní inženýrství známo. Významným příkladem toho byl motor konstruovaný týmem vědců na Bostonské vysoké škole v Massachusetts v USA v roce 1999, který sestával ze 78 atomů, a stavba trvala čtyři roky práce. Motor měl rotační vřeteno, které by trvalo několik hodin, než se jedna otáčka uskuteční, a byl navržen tak, aby se otáčel pouze jedním směrem. Molekulární motor spoléhal na syntézu ATP jako svůj zdroj energie a byl použit jako výzkumná platforma k porozumění základům přeměny chemické energie na mechanický pohyb. Podobný výzkum od té doby dokončili nizozemští a japonští vědci používající uhlík k výrobě syntetických molekulárních motorů poháněných světelnou a tepelnou energií a nedávné pokusy od roku 2008 vyvinuly metodu pro vytvoření motoru, který produkuje nepřetržitou úroveň točivého momentu.

Biologicky mají molekulární motory různorodý seznam funkcí a struktur. Hlavní transportní motory jsou poháněny proteiny myosinem, kinesinem a dyneinem a aktin je hlavním proteinem přítomným ve svalových kontrakcích pozorovaných u druhů stejně rozmanitých jako řasy pro člověka. Výzkum toho, jak tyto proteiny fungují, je od roku 2011 natolik podrobný, že je nyní známo, že pro každou molekulu ATP, kterou spotřebuje 50nimetrová molekula kinezinu, je schopen pohybovat chemickým nákladem na vzdálenost 8 nanometrů uvnitř buňka. Je také známo, že kinezin je 50% účinný při přeměně chemické energie na mechanickou energii a je schopen vyrábět 15krát více energie pro svou velikost, než by mohl běžný benzinový motor.

Je známo, že myosin je nejmenší z molekulárních motorů, přesto je nezbytný pro svalové kontrakce, a forma ATP zvaná ATP syntáza je také molekulární motor používaný k vytváření adenosin difosfátu (ADP) pro ukládání energie jako ATP. Snad nejvýznamnějším přírodním molekulárním motorem objeveným od roku 2011 je však ten, který pohání pohyb bakterií. Vlasovitá projekce na zádech bakterií zvaná bičík se točí s pohybem poháněným vrtulí, který, pokud by se rozšířil na úroveň lidských motorů každodenních motorů, by byl 45krát silnější než průměrný benzínový motor.