Wat zijn moleculaire motoren?

Moleculaire motoren zijn assemblages van eiwitten in de cellulaire omgeving van levende organismen die, door middel van complexe vouw- en chemische processen, mechanische beweging kunnen uitvoeren voor verschillende doeleinden, zoals transportmaterialen of elektrische ladingen binnen het cytoplasma van een cel of repliceren DNA en andere verbindingen. Moleculaire motorische eiwitten zijn ook van fundamenteel belang voor spiercontracties en acties zoals de beweging van bacteriën door een soort propeller-aangedreven zwembeweging. De meeste natuurlijke moleculaire motoren leiden chemische energie af voor beweging aan hetzelfde basisproces dat organismen gebruiken om energie te produceren voor levensondersteuning-door de afbraak en synthese van het samengestelde adenosineprifosfaat (ATP).

Hoewel moleculaire motoren op een fundamentele moleculaire motoren veel van dezelfde functies uitvoeren als elektromechanische motoren in de macroscopische menselijke schaal, opereren in een veel verschillende omgeving. De meeste moleculaire motoractiviteit vindt plaats in een vloeibare omgeving die aandrijftn door thermische krachten en direct beïnvloed door de willekeurige beweging van nabijgelegen moleculen, bekend als Brownse beweging. Deze organische omgeving, samen met de complexe aard van eiwitvouwing en chemische reacties waar een moleculaire motor op vertrouwt om te functioneren, heeft een begrip van hun gedrag gemaakt dat tientallen jaren onderzoek heeft gedaan.

Onderzoek in nanotechnologie op de atomaire en moleculaire schaal heeft zich gericht op het nemen van biologische materialen en productiemoleculaire motoren die lijken op de motoren waarmee dagelijkse engineering bekend is. Een prominent voorbeeld hiervan was een motor die werd gebouwd door een team van wetenschappers aan het Boston College van Massachusetts in de VS in 1999 dat bestond uit 78 atomen en vier jaar werk nodig had om te bouwen. De motor had een roterende spil die enkele uren zou duren om één revolutie te maken en was ontworpen om in slechts één richting te roteren. De moleculAR Motor vertrouwde op ATP -synthese als zijn energiebron en werd gebruikt als een onderzoeksplatform om de basisprincipes van het overbrengen van chemische energie in mechanische beweging te begrijpen. Soortgelijk onderzoek is sindsdien voltooid door Nederlandse en Japanse wetenschappers die koolstof gebruiken om synthetische moleculaire motoren te produceren die worden aangedreven door licht- en warmte -energie, en recente pogingen vanaf 2008 hebben een methode ontwikkeld voor het creëren van een motor die een continu niveau van rotatiekoppel produceert.

Biologisch gezien hebben moleculaire motoren een diverse lijst met functies en structuren. De belangrijkste transportmotoren worden aangedreven door de eiwitten myosine, kinesine en dyneïne, en actine is het belangrijkste eiwit dat aanwezig is in spiercontracties die worden gezien in soorten die zo divers zijn als algen voor mensen. Onderzoek naar hoe deze eiwitten functioneren is vanaf 2011 zo gedetailleerd geworden dat het nu bekend is dat, voor elke molecule ATP dat een 50-nanometer lang molecuul kinesine verbruikt, het in staat is om chemische lading een afstand van 8 nanometers te verplaatsen metin een cel. Het is ook bekend dat kinesine 50% efficiënt is in het omzetten van chemische energie in mechanische energie en in staat zijn om 15 keer meer vermogen te produceren voor zijn grootte dan een standaard benzinemotor.

Myosine is bekend als de kleinste van moleculaire motoren, maar het is essentieel voor spiercontracties, en een vorm van ATP genaamd ATP -synthase is ook een moleculaire motor die wordt gebruikt om adenosinedifosfaat (ADP) voor energieopslag als ATP op te bouwen. Misschien is de meest opmerkelijke natuurlijke moleculaire motor die vanaf 2011 is ontdekt, echter degene die de beweging van bacteriën aandrijft. Een haarachtige projectie op de achterkant van een bacterie genaamd een flagellum spins met een propeller aangedreven beweging die, indien opgeschaald naar het menselijke niveau van alledaagse motoren, 45 keer krachtiger zou zijn dan de gemiddelde benzinemotor.