Cosa sono i motori molecolari?
I motori molecolari sono insiemi di proteine all'interno dell'ambiente cellulare di organismi viventi che, attraverso complessi processi di piegatura e chimici, possono eseguire movimenti meccanici per vari scopi, come 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 ricava energia chimica per il movimento dallo stesso processo di base che gli organismi usano per produrre energia per il supporto vitale - dalla rottura e dalla sintesi del adenosina trifosfato (ATP).
Sebbene a livello base i motori molecolari svolgano molte delle stesse funzioni dei motori elettromeccanici a scala macroscopica umana, operano in un tipo di ambiente molto diverso. La maggior parte dell'attività motoria molecolare si svolge in un ambiente liquido che è guidato da forze termiche e direttamente influenzato dal movimento casuale di molecole vicine, noto come moto browniano. Questo ambiente organico, insieme alla complessa natura del ripiegamento proteico e delle reazioni chimiche su cui un motore molecolare fa affidamento per funzionare, ha reso la comprensione del loro comportamento uno che ha richiesto decenni di ricerca.
La ricerca nel campo delle nanotecnologie 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 ha familiarità. Un esempio importante di ciò è stato un motore costruito da un team di scienziati del Boston College of Massachusetts negli Stati Uniti nel 1999 che consisteva di 78 atomi e che ha impiegato quattro anni di lavoro per essere costruito. Il motore aveva un mandrino rotante che impiegava diverse ore per compiere un giro ed era progettato per ruotare in una sola direzione. Il motore molecolare si basava sulla sintesi di ATP come fonte di energia e veniva 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 usano il carbonio per produrre motori molecolari sintetici alimentati da luce e energia termica, e recenti tentativi a partire dal 2008 hanno sviluppato un metodo per creare un motore che produce un livello continuo di coppia rotazionale.
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 osservate in specie diverse come le alghe per l'uomo. La ricerca sul funzionamento di queste proteine è diventata così dettagliata dal 2011 che è ormai noto che, per ogni molecola di ATP che consuma una molecola di kinesina lunga 50 nanometri, è in grado di spostare il carico chimico a una distanza di 8 nanometri entro una cellula. Kinesin è anche noto per essere efficiente al 50% nel convertire l'energia chimica in energia meccanica e in grado di produrre 15 volte più potenza per le sue dimensioni rispetto a un normale motore a benzina.
La miosina è nota per essere il più piccolo dei motori molecolari, tuttavia è essenziale per le contrazioni muscolari, e una forma di ATP chiamata ATP sintasi è anche un motore molecolare utilizzato per costruire l'adenosina difosfato (ADP) per l'accumulo di energia come ATP. Forse il motore molecolare naturale più notevole scoperto a partire dal 2011, tuttavia, è quello che alimenta il movimento dei batteri. Una proiezione simile a un pelo sulla parte posteriore di un batterio chiamato flagello gira con un movimento guidato dall'elica che, se ridimensionato al livello umano dei motori di tutti i giorni, sarebbe 45 volte più potente del motore a benzina medio.