Wat zijn moleculaire motoren?
Moleculaire motoren zijn assemblages van eiwitten in de cellulaire omgeving van levende organismen die door complexe vouw- en chemische processen mechanische bewegingen kunnen uitvoeren voor verschillende doeleinden, zoals het transporteren van materialen of elektrische ladingen in het cytoplasma van een cel of het repliceren van DNA en andere verbindingen . Moleculaire motorproteïnen zijn ook van fundamenteel belang voor spiercontracties en acties zoals de beweging van bacteriën door een soort propellergestuurde zwembeweging. De meeste natuurlijke moleculaire motoren ontlenen chemische energie voor beweging aan hetzelfde basisproces dat organismen gebruiken om energie te produceren voor levensondersteuning - door de afbraak en synthese van de samengestelde adenosinetrifosfaat (ATP).
Hoewel moleculaire motoren op basisniveau veel van dezelfde functies vervullen als elektromechanische motoren op macroscopische menselijke schaal, werken ze in een veel ander soort omgeving. De meeste moleculaire motorische activiteit vindt plaats in een vloeibare omgeving die wordt aangedreven door thermische krachten en direct wordt beïnvloed door de willekeurige beweging van nabijgelegen moleculen, ook wel Brownse beweging genoemd. Deze organische omgeving, samen met de complexe aard van eiwitvouwing en chemische reacties waarop een moleculaire motor vertrouwt om te functioneren, heeft het verkrijgen van een begrip van hun gedrag tot een decennia van onderzoek gemaakt.
Onderzoek naar nanotechnologie op atomaire en moleculaire schaal is gericht op het nemen van biologische materialen en het produceren van moleculaire motoren die lijken op de motoren waarmee de alledaagse techniek vertrouwd is. Een prominent voorbeeld hiervan was een motor gebouwd door een team van wetenschappers aan het Boston College in Massachusetts in de VS in 1999, dat uit 78 atomen bestond en vier jaar werk kostte om te bouwen. De motor had een roterende spindel die enkele uren zou duren om één omwenteling te maken en was ontworpen om in slechts één richting te draaien. De moleculaire motor vertrouwde op ATP-synthese als zijn energiebron en werd gebruikt als een onderzoeksplatform om de basisprincipes te begrijpen van de overgang van chemische energie naar mechanische beweging. 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 maken van een motor die een continu draaikoppel produceert.
Biologisch gezien hebben moleculaire motoren een gevarieerde lijst van 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 zo divers als algen voor mensen. Onderzoek naar de werking van deze eiwitten is vanaf 2011 zo gedetailleerd geworden dat nu bekend is dat het voor elke ATP-molecule die een molecule van 50 nanometer lang kinesine verbruikt, in staat is om chemische lading binnen een afstand van 8 nanometer te verplaatsen een cel. Van Kinesin is ook bekend dat het 50% efficiënt is in het omzetten van chemische energie in mechanische energie en in staat is om 15 keer meer vermogen voor zijn grootte te produceren dan een standaard benzinemotor zou kunnen.
Van Myosin is bekend dat het de kleinste moleculaire motor is, 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) op te bouwen voor energieopslag als ATP. 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 rug van een bacterie genaamd een flagellum draait met een propellergestuurde beweging die, indien opgeschaald naar het menselijke niveau van dagelijkse motoren, 45 keer krachtiger zou zijn dan de gemiddelde benzinemotor.