分子モーターとは

分子モーターは、生物の細胞環境内のタンパク質の集合体であり、複雑な折り畳みと化学プロセスにより、細胞の細胞質内で材料や電荷を輸送したり、DNAやその他の化合物を複製するなど、さまざまな目的で機械的運動を実行できます。 分子モータータンパク質は、筋肉の収縮や、プロペラ駆動型の水泳運動によるバクテリアの動きなどの動作の基本でもあります。 ほとんどの天然分子モーターは、生物が生命維持のためのエネルギーを生成するために使用するのと同じ基本プロセスから、合成アデノシン三リン酸（ATP）の分解と合成によって、運動の化学エネルギーを引き出します。

基本的なレベルでは、分子モーターは、人間の肉眼で見ると電気機械モーターと同じ機能の多くを実行しますが、非常に異なるタイプの環境で動作します。 ほとんどの分子モーター活動は、熱力によって駆動され、ブラウン運動として知られている近くの分子のランダムな動きによって直接影響を受ける液体環境で起こります。 この有機環境は、分子モーターが機能するために依存するタンパク質の折り畳みと化学反応の複雑な性質とともに、数十年の研究を経て、その挙動の理解を得ています。

原子および分子スケールでのナノテクノロジーの研究は、生物学的材料の取得と、日常のエンジニアリングで馴染みのあるモーターに似た分子モーターの製造に焦点を当てています。 これの顕著な例は、1999年に米国マサチューセッツ州ボストンカレッジの科学者チームによって構築されたモーターで、78個の原子で構成され、構築に4年の作業を要しました。 モーターには1回転するのに数時間かかる回転スピンドルがあり、一方向にのみ回転するように設計されていました。 分子モーターは、エネルギー源としてATP合成に依存しており、化学エネルギーを機械的運動に変換する基礎を理解するための研究プラットフォームとして使用されました。 それ以来、オランダと日本の科学者が同様の研究を完了し、炭素を使用して光と熱エネルギーを動力源とする合成分子モーターを製造し、2008年の最近の試みにより、連続レベルの回転トルクを生成するモーターを作成する方法が開発されました。

生物学的には、分子モーターにはさまざまな機能と構造のリストがあります。 主要な輸送モーターはミオシン、キネシン、およびダイニンというタンパク質を動力源としており、アクチンは藻類からヒトまでさまざまな種で見られる筋肉収縮に存在する主要なタンパク質です。 これらのタンパク質がどのように機能するかについての研究は2011年の時点で非常に詳細になったため、50ナノメートルの長さのキネシン分子が消費するATPの分子ごとに、化学物質を8ナノメートル以内の距離を移動できる細胞。 キネシンは、化学エネルギーを機械エネルギーに50％効率的に変換することも知られており、そのサイズで標準的なガソリンエンジンの15倍の電力を生成できます。

ミオシンは最小の分子モーターであることが知られていますが、筋肉の収縮に不可欠であり、ATPシンターゼと呼ばれるATPの形態は、ATPとしてのエネルギー貯蔵のためにアデノシン二リン酸（ADP）を構築するために使用される分子モーターでもあります。 しかし、おそらく2011年の時点で発見された最も注目すべき天然分子モーターは、細菌の移動を促進するものです。 鞭毛と呼ばれるバクテリアの背中の毛のような突起は、プロペラ駆動の動きで回転します。これは、日常のモーターの人間レベルに拡大すると、平均的なガソリンエンジンの45倍強力になります。