Cosa sono i motori molecolari?
I motori molecolari sono assemblaggi di proteine all'interno dell'ambiente cellulare degli organismi viventi che, attraverso complessi processi di piegatura e chimica, possono eseguire un movimento meccanico per vari scopi, come per trasportare materiali o cariche elettriche all'interno del citoplasma di una cellula o replicare il DNA e altri composti. Le proteine motorie molecolari sono anche fondamentali per le contrazioni muscolari e le azioni come il movimento dei batteri attraverso un tipo di movimento di nuoto guidato dall'elica. La maggior parte dei motori molecolari naturali derivano energia chimica per il movimento dallo stesso processo di base che gli organismi usano per produrre energia per il supporto vitale-mediante la rottura e la sintesi del trifosfato di adenosina composto (ATP).
Sebbene a livello di base motori molecolari svolgono molte delle stesse funzioni dei motori elettro-meccanici a livello umano macroscopico, operano in modo diverso. La maggior parte dell'attività motoria molecolare avviene in un ambiente liquido che è unitàn da forze termiche e direttamente colpite dal movimento casuale delle molecole vicine, noto come movimento browniano. Questo ambiente organico, insieme alla complessa natura del ripiegamento delle proteine e delle reazioni chimiche su cui un motore molecolare si basa per funzionare, ha reso la comprensione del loro comportamento che ha impiegato decenni di ricerca.
La ricerca in nanotecnologia su scala atomica e molecolare si è concentrata sull'assunzione di materiali biologici e sulla produzione di motori molecolari che assomigliano ai motori con cui l'ingegneria quotidiana è familiare. Un esempio di spicco di ciò era un motore costruito da un team di scienziati del Boston College del Massachusetts negli Stati Uniti nel 1999 che consisteva in 78 atomi e impiegò quattro anni di lavoro per costruire. Il motore aveva un mandrino rotante che avrebbe richiesto diverse ore per fare una rivoluzione ed era progettato per ruotare in una sola direzione. La molecolaIl motore AR si basava sulla sintesi di ATP come fonte di energia ed è stato utilizzato come piattaforma di ricerca per comprendere i fondamenti della transizione dell'energia chimica in movimento meccanico. Ricerche simili sono state completate da scienziati olandesi e giapponesi che utilizzano il carbonio per produrre motori molecolari sintetici alimentati dalla luce e dall'energia termica, e recenti tentativi a partire dal 2008 hanno sviluppato un metodo per creare un motore che produce un livello continuo di coppia di rotazione.
Biologicamente, i motori molecolari hanno un elenco diversificato di funzioni e strutture. I principali motori di trasporto sono alimentati dalle proteine miosina, kinesina e dynein e l'actina è la principale proteina presente nelle contrazioni muscolari viste in specie diverse come alghe per l'uomo. Ricerca su come le funzioni di queste proteine sono diventate così dettagliate dal 2011 che ora è noto che, per ogni molecola di ATP che consuma una molecola di kinesina lunga 50 nanometri, è in grado di spostare il carico chimico una distanza di 8 nanometri conn una cella. È anche noto che la kinesina è efficiente al 50% nella conversione dell'energia chimica in energia meccanica e in grado di produrre 15 volte più potenza per le sue dimensioni rispetto a un motore a benzina standard.
La miosina è nota per essere il più piccolo dei motori molecolari, ma è essenziale per le contrazioni muscolari e una forma di ATP chiamata ATP sintasi è anche un motore molecolare utilizzato per costruire adenosina difosfato (ADP) per l'accumulo di energia come ATP. Forse il motore molecolare naturale più notevole scoperto dal 2011, tuttavia, è quello che alimenta il movimento dei batteri. Una proiezione a forma di capelli sul retro di un batterio chiamato flagello gira con un movimento guidato dall'elica che, se ridimensionato al livello umano dei motori quotidiani, sarebbe 45 volte più potente del motore a benzina medio.