Quels sont les moteurs moléculaires?
Les moteurs moléculaires sont des assemblages de protéines dans l'environnement cellulaire d'organismes vivants qui, par des processus chimiques complexes et de repliement, peuvent effectuer des mouvements mécaniques à diverses fins, telles que le transport de matériaux ou de charges électriques dans le cytoplasme d'une cellule ou la réplication de l'ADN et d'autres composés. . Les protéines motrices moléculaires jouent également un rôle fondamental dans les contractions musculaires et les actions telles que le mouvement des bactéries par le biais d'un type de mouvement de nage entraîné par une hélice. La plupart des moteurs moléculaires naturels tirent leur énergie chimique nécessaire au mouvement à partir du même processus de base que celui utilisé par les organismes pour produire de l'énergie nécessaire au maintien de la vie - par la décomposition et la synthèse du composé adénosine triphosphate (ATP).
Bien qu’à un niveau élémentaire, les moteurs moléculaires remplissent bon nombre des mêmes fonctions que les moteurs électromécaniques à l’échelle humaine macroscopique, ils fonctionnent dans un type d’environnement très différent. La majeure partie de l'activité motrice moléculaire se déroule dans un environnement liquide qui est entraîné par des forces thermiques et directement affecté par le mouvement aléatoire des molécules voisines, appelé mouvement brownien. Cet environnement organique, ainsi que la nature complexe du repliement des protéines et des réactions chimiques sur lesquelles repose un moteur moléculaire, ont permis de mieux comprendre leur comportement et de prendre ainsi des décennies de recherche.
La recherche en nanotechnologie à l'échelle atomique et moléculaire s'est concentrée sur l'utilisation de matériaux biologiques et la fabrication de moteurs moléculaires ressemblant à ceux connus de l'ingénierie quotidienne. Un exemple frappant de ceci est un moteur construit en 1999 par une équipe de scientifiques au Boston College of Massachusetts, aux États-Unis, composé de 78 atomes et dont la construction a nécessité quatre ans. Le moteur avait une broche rotative qui prendrait plusieurs heures pour faire un tour et était conçu pour tourner dans un seul sens. Le moteur moléculaire reposait sur la synthèse d’ATP comme source d’énergie et servait de plate-forme de recherche pour comprendre les principes fondamentaux de la transition de l’énergie chimique en mouvement mécanique. Des chercheurs néerlandais et japonais ont mené à bien des recherches similaires en utilisant du carbone pour produire des moteurs moléculaires synthétiques alimentés par la lumière et la chaleur. Des essais récents menés depuis 2008 ont permis de mettre au point une méthode permettant de créer un moteur produisant un niveau de couple de rotation continu.
Biologiquement, les moteurs moléculaires ont une liste variée de fonctions et de structures. Les principaux moteurs de transport sont alimentés par les protéines myosine, kinésine et dynéine, et l'actine est la principale protéine présente dans les contractions musculaires observées chez des espèces aussi diverses que les algues pour l'homme. Les recherches sur le fonctionnement de ces protéines sont devenues si détaillées en 2011 qu'il est maintenant reconnu que, pour chaque molécule d'ATP consommée par une molécule de kinésine longue de 50 nanomètres, elle est capable de déplacer une cargaison de produits chimiques sur une distance de 8 nanomètres une cellule. La Kinesin est également connue pour convertir 50% de l'énergie chimique en énergie mécanique et produire 15 fois plus de puissance qu'un moteur à essence standard.
La myosine est connue pour être le plus petit des moteurs moléculaires, mais elle est essentielle aux contractions musculaires. Une forme d'ATP appelée ATP synthase est également un moteur moléculaire utilisé pour la formation d'adénosine diphosphate (ADP) pour le stockage d'énergie sous forme d'ATP. Peut-être le moteur moléculaire naturel le plus remarquable découvert à partir de 2011, cependant, est celui qui alimente le mouvement des bactéries. Une projection ressemblant à un cheveu sur le dos d’une bactérie appelée flagellum tourne avec un mouvement entraîné par une hélice qui, si elle était adaptée au niveau humain des moteurs de tous les jours, serait 45 fois plus puissante que la moyenne des moteurs à essence.