Hvad er molekylære motorer?

Molekylære motorer er samlinger af proteiner i det cellulære miljø hos levende organismer, der gennem komplekse foldning og kemiske processer kan udføre mekanisk bevægelse til forskellige formål, såsom at transportere materialer eller elektriske ladninger inden i cytoplasmaet i en celle eller replikere DNA og andre forbindelser . Molekylære motoriske proteiner er også grundlæggende for muskelkontraktioner og handlinger såsom bevægelse af bakterier gennem en type propeldrevet svømningsbevægelse. De fleste naturlige molekylære motorer henter kemisk energi til bevægelse fra den samme grundlæggende proces, som organismer bruger til at producere energi til livsstøtte - ved nedbrydning og syntese af forbindelsen adenosintrifosfat (ATP).

Selvom molekylære motorer på basisniveau udfører mange af de samme funktioner som elektromekaniske motorer i makroskopisk menneskelig skala, fungerer de i en meget anden type miljø. De fleste molekylære motoriske aktiviteter finder sted i et flydende miljø, der er drevet af termiske kræfter og direkte påvirket af tilfældige bevægelser af nærliggende molekyler, kendt som Brownsk bevægelse. Dette organiske miljø sammen med den komplekse karakter af proteinfoldning og kemiske reaktioner, som en molekylær motor er afhængig af for at fungere, har gjort det at få en forståelse af deres opførsel, som har taget årtiers forskning.

Forskning inden for nanoteknologi i atom- og molekylær skala har fokuseret på at tage biologiske materialer og fremstille molekylære motorer, der ligner de motorer, som hverdagsteknik er bekendt med. Et fremtrædende eksempel på dette var en motor konstrueret af et team af videnskabsfolk ved Boston College i Massachusetts i USA i 1999, der bestod af 78 atomer og tog fire års arbejde med at konstruere. Motoren havde en roterende spindel, der tog flere timer at foretage en omdrejning og var designet til kun at dreje i en retning. Den molekylære motor var afhængig af ATP-syntese som dens energikilde og blev brugt som en forskningsplatform til at forstå grundlæggende elementer i at overføre kemisk energi til mekanisk bevægelse. Lignende forskning er siden afsluttet af hollandske og japanske forskere, der bruger kulstof til at producere syntetiske molekylmotorer drevet af lys og varmeenergi, og de seneste forsøg i 2008 har udviklet en metode til at skabe en motor, der producerer et kontinuerligt niveau af roterende drejningsmoment.

Biologisk set har molekylmotorer en mangfoldig liste over funktioner og strukturer. De største transportmotorer drives af proteinerne myosin, kinesin og dynein, og actin er det vigtigste protein, der findes i muskelkontraktioner, der ses i arter, der er så forskellige som alger for mennesker. Forskning i, hvordan disse proteiner fungerer, er blevet så detaljeret fra 2011, at det nu vides, at det for hvert molekyle af ATP, som et 50-nanometer langt molekyle kinesin bruger, er i stand til at bevæge kemisk last en afstand på 8 nanometer inden for en celle. Kinesin er også kendt for at være 50% effektiv til at konvertere kemisk energi til mekanisk energi og er i stand til at producere 15 gange mere strøm til sin størrelse end en standard benzinmotor kunne.

Myosin er kendt for at være den mindste af molekylære motorer, men alligevel er det vigtigt for muskelkontraktioner, og en form for ATP kaldet ATP-synthase er også en molekylær motor, der bruges til at opbygge adenosindiphosphat (ADP) til energilagring som ATP. Den måske mest bemærkelsesværdige naturlige molekylmotor, der blev opdaget i 2011, er dog den, der driver bevægelse af bakterier. En hårlignende fremspring på bagsiden af ​​en bakterie, der kaldes et flagellum, drejes med en propeldrevet bevægelse, som, hvis den skaleres op til det menneskelige niveau for hverdagsmotorer, ville være 45 gange mere kraftfuld end den gennemsnitlige benzinmotor.