Was sind Molekularmotoren?
Molekularmotoren sind Anordnungen von Proteinen in der zellulären Umgebung lebender Organismen, die durch komplexe Faltungsprozesse und chemische Prozesse mechanische Bewegungen für verschiedene Zwecke ausführen können, z. B. um Materialien oder elektrische Ladungen im Zytoplasma einer Zelle zu transportieren oder DNA und andere Verbindungen zu replizieren . Molekulare Motorproteine sind auch für Muskelkontraktionen und -aktionen wie die Bewegung von Bakterien durch eine Art propellergetriebene Schwimmbewegung von grundlegender Bedeutung. Die meisten natürlichen molekularen Motoren beziehen chemische Bewegungsenergie aus dem gleichen Grundprozess, den Organismen nutzen, um Energie zur Lebenserhaltung zu erzeugen - durch den Abbau und die Synthese der Verbindung Adenosintriphosphat (ATP).
Obwohl molekulare Motoren im Grunde genommen viele der gleichen Funktionen erfüllen wie elektromechanische Motoren im makroskopischen menschlichen Maßstab, arbeiten sie in einer ganz anderen Art von Umgebung. Die meiste molekulare motorische Aktivität findet in einer flüssigen Umgebung statt, die von thermischen Kräften angetrieben wird und direkt von der zufälligen Bewegung benachbarter Moleküle beeinflusst wird, die als Brownsche Bewegung bekannt ist. Diese organische Umgebung hat zusammen mit der komplexen Natur der Proteinfaltung und der chemischen Reaktionen, auf die sich ein molekularer Motor stützt, dazu beigetragen, ein Verständnis für ihr Verhalten zu gewinnen, das Jahrzehnte lang erforscht wurde.
Die Forschung in der Nanotechnologie auf atomarer und molekularer Ebene hat sich darauf konzentriert, biologische Materialien zu verwenden und molekulare Motoren herzustellen, die den Motoren ähneln, mit denen die alltägliche Technik vertraut ist. Ein prominentes Beispiel dafür war ein Motor, der 1999 von einem Wissenschaftlerteam am Boston College of Massachusetts in den USA konstruiert wurde. Er bestand aus 78 Atomen und dauerte vier Jahre, um ihn zu konstruieren. Der Motor hatte eine rotierende Spindel, die mehrere Stunden brauchte, um eine Umdrehung auszuführen, und war so konstruiert, dass sie sich nur in eine Richtung drehte. Der molekulare Motor stützte sich auf die ATP-Synthese als Energiequelle und wurde als Forschungsplattform genutzt, um die Grundlagen der Umwandlung chemischer Energie in mechanische Bewegung zu verstehen. Ähnliche Forschungen wurden seitdem von niederländischen und japanischen Wissenschaftlern durchgeführt, die Kohlenstoff zur Herstellung von synthetischen molekularen Motoren verwenden, die mit Licht und Wärmeenergie betrieben werden. In den letzten Versuchen wurde 2008 eine Methode zur Erzeugung eines Motors entwickelt, der ein kontinuierliches Drehmoment erzeugt.
Molekulare Motoren haben biologisch eine vielfältige Liste von Funktionen und Strukturen. Die Haupttransportmotoren werden von den Proteinen Myosin, Kinesin und Dynein angetrieben, und Actin ist das Hauptprotein, das bei Muskelkontraktionen vorkommt, die bei Arten auftreten, die für Menschen so unterschiedlich sind wie Algen. Die Funktionsweise dieser Proteine ist seit 2011 so detailliert, dass bekannt ist, dass jedes Molekül ATP, das ein 50 Nanometer langes Molekül Kinesin verbraucht, eine chemische Ladung innerhalb von 8 Nanometern bewegen kann eine Zelle. Es ist auch bekannt, dass Kinesin bei der Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Energie einen Wirkungsgrad von 50% aufweist und in der Lage ist, für seine Größe 15-mal mehr Leistung zu erzeugen als ein Standardbenzinmotor.
Es ist bekannt, dass Myosin der kleinste molekulare Motor ist, jedoch ist es für Muskelkontraktionen von wesentlicher Bedeutung. Eine ATP-Form namens ATP-Synthase ist auch ein molekularer Motor, der zum Aufbau von Adenosindiphosphat (ADP) zur Energiespeicherung als ATP verwendet wird. Der vielleicht bemerkenswerteste natürliche molekulare Motor, der 2011 entdeckt wurde, ist jedoch der, der die Bewegung von Bakterien antreibt. Ein haarartiger Vorsprung auf der Rückseite eines Bakteriums, der Flagellum genannt wird, dreht sich mit einer propellergetriebenen Bewegung, die, wenn sie auf das menschliche Niveau von Alltagsmotoren skaliert würde, 45-mal stärker wäre als der durchschnittliche Benzinmotor.