Hva er molekylære motorer?

Molekylmotorer er samlinger av proteiner i det cellulære miljøet til levende organismer som gjennom komplekse sammenleggbare og kjemiske prosesser kan utføre mekanisk bevegelse for forskjellige formål, for eksempel å transportere materialer eller elektriske ladninger i cytoplasma av en celle eller replikere DNA og andre forbindelser. . Molekylære motoriske proteiner er også grunnleggende for muskelsammentrekninger og handlinger som bevegelse av bakterier gjennom en type propelldrevet svømmebevegelse. De fleste naturlige molekylmotorer henter kjemisk energi for bevegelse fra den samme grunnleggende prosessen som organismer bruker for å produsere energi til livsstøtte - ved nedbrytning og syntese av forbindelsen adenosintrifosfat (ATP).

Selv om molekylære motorer på grunnleggende nivå utfører mange av de samme funksjonene som elektromekaniske motorer i makroskopisk menneskeskala, fungerer de i en mye annen type miljø. Mest molekylær motorisk aktivitet foregår i et flytende miljø som er drevet av termiske krefter og direkte påvirket av tilfeldig bevegelse av nærliggende molekyler, kjent som Brownsk bevegelse. Dette organiske miljøet, sammen med den komplekse naturen til proteinfolding og kjemiske reaksjoner som en molekylmotor er avhengig av for å fungere, har gjort det å få en forståelse av deres oppførsel en som har tatt flere tiår med forskning.

Forskning innen nanoteknologi i atom- og molekylær skala har fokusert på å ta biologiske materialer og produsere molekylære motorer som ligner motorene som hverdagsteknikk er kjent med. Et fremtredende eksempel på dette var en motor konstruert av et team av forskere ved Boston College i Massachusetts i USA i 1999 som besto av 78 atomer, og tok fire års arbeid for å konstruere. Motoren hadde en roterende spindel som ville ta flere timer å gjøre en omdreining og var designet for å rotere i bare en retning. Den molekylære motoren baserte seg på ATP-syntese som energikilde og ble brukt som en forskningsplattform for å forstå grunnleggende grunnlag av å overføre kjemisk energi til mekanisk bevegelse. Lignende forskning er siden blitt fullført av nederlandske og japanske forskere som bruker karbon for å produsere syntetiske molekylmotorer drevet av lys og varmeenergi, og nylige forsøk fra og med 2008 har utviklet en metode for å lage en motor som produserer et kontinuerlig nivå av rotasjonsmoment.

Biologisk sett har molekylmotorer en mangfoldig liste over funksjoner og strukturer. De viktigste transportmotorene drives av proteinene myosin, kinesin og dynein, og actin er det viktigste proteinet som finnes i muskelsammentrekninger sett på arter som er så forskjellige som alger for mennesker. Forskning på hvordan disse proteinene fungerer har blitt så detaljert fra og med 2011 at det nå er kjent at for hvert molekyl av ATP som et 50-nanometer langt molekyl kinesin bruker, er det i stand til å flytte kjemisk last i en avstand på 8 nanometer innenfor en celle. Kinesin er også kjent for å være 50% effektiv når det gjelder å konvertere kjemisk energi til mekanisk energi og i stand til å produsere 15 ganger mer kraft for sin størrelse enn en vanlig bensinmotor kunne.

Myosin er kjent for å være den minste av molekylmotorer, men det er likevel essensielt for muskelsammentrekninger, og en form for ATP kalt ATP-synthase er også en molekylmotor som brukes til å bygge opp adenosindifosfat (ADP) for energilagring som ATP. Den kanskje mest bemerkelsesverdige naturlige molekylmotoren som ble oppdaget fra og med 2011, er imidlertid den som driver bakterieres bevegelse. En hårlignende fremspring på baksiden av en bakterie som kalles en flagellum snurrer med en propelldrevet bevegelse som, hvis den skaleres opp til det menneskelige nivået til hverdagsmotorer, ville være 45 ganger kraftigere enn den gjennomsnittlige bensinmotoren.