Co to są silniki molekularne?
Silniki molekularne to zespoły białek w środowisku komórkowym organizmów żywych, które dzięki złożonym procesom składania i procesów chemicznych mogą wykonywać ruch mechaniczny do różnych celów, takich jak transport materiałów lub ładunków elektrycznych w cytoplazmie komórki lub replikacja DNA i innych związków . Molekularne białka motoryczne mają również zasadnicze znaczenie dla skurczów mięśni i działań, takich jak ruch bakterii poprzez pewien rodzaj ruchu pływającego napędzanego śmigłem. Większość naturalnych silników molekularnych czerpie energię chemiczną do ruchu z tego samego podstawowego procesu, który organizmy wykorzystują do wytworzenia energii do podtrzymania życia - poprzez rozkład i syntezę złożonego trifosforanu adenozyny (ATP).
Chociaż na poziomie podstawowym silniki molekularne pełnią wiele takich samych funkcji jak silniki elektromechaniczne w makroskopowej skali ludzkiej, działają one w zupełnie innym środowisku. Większość molekularnej aktywności motorycznej zachodzi w środowisku płynnym, które jest napędzane siłami termicznymi i bezpośrednio wpływa na losowy ruch pobliskich cząsteczek, znany jako ruch Browna. To środowisko organiczne, wraz ze złożonym charakterem składania białek i reakcjami chemicznymi, na których opiera się silnik molekularny, pozwoliło zrozumieć ich zachowanie, które wymagało dziesięcioleci badań.
Badania w nanotechnologii w skali atomowej i molekularnej koncentrowały się na pobieraniu materiałów biologicznych i wytwarzaniu silników molekularnych, które przypominają silniki, z którymi znana jest codzienna inżynieria. Widocznym tego przykładem był silnik skonstruowany przez zespół naukowców z Boston College of Massachusetts w USA w 1999 r., Który składał się z 78 atomów i jego budowa zajęła cztery lata. Silnik miał obracające się wrzeciono, które wymagałoby kilku godzin na wykonanie jednego obrotu, i został zaprojektowany do obracania się tylko w jednym kierunku. Silnik molekularny opierał się na syntezie ATP jako źródle energii i został wykorzystany jako platforma badawcza do zrozumienia podstaw przekształcania energii chemicznej w ruch mechaniczny. Podobne badania zostały zakończone przez holenderskich i japońskich naukowców wykorzystujących węgiel do produkcji syntetycznych silników molekularnych zasilanych energią świetlną i cieplną, a ostatnie próby z 2008 roku opracowały metodę tworzenia silnika, który wytwarza stały poziom momentu obrotowego.
Biologicznie silniki molekularne mają różnorodną listę funkcji i struktur. Główne silniki transportowe są zasilane przez białka miozyny, kinezyny i dyneiny, a aktyna jest głównym białkiem obecnym w skurczach mięśni u gatunków tak różnorodnych jak glony dla ludzi. Badania nad funkcjonowaniem tych białek stały się tak szczegółowe od 2011 r., Że obecnie wiadomo, że dla każdej cząsteczki ATP zużywanej przez cząsteczkę kinezyny o długości 50 nanometrów jest ona w stanie przenosić ładunek chemiczny na odległość 8 nanometrów w obrębie komórka. Wiadomo również, że kinezyna jest 50% wydajna w przetwarzaniu energii chemicznej w energię mechaniczną i jest w stanie wytworzyć 15 razy więcej mocy w stosunku do swoich rozmiarów niż standardowy silnik benzynowy.
Wiadomo, że miozyna jest najmniejszym z silników molekularnych, ale jest niezbędna do skurczów mięśni, a forma ATP zwana syntazą ATP jest również silnikiem molekularnym stosowanym do budowania difosforanu adenozyny (ADP) do magazynowania energii jako ATP. Być może jednak najbardziej niezwykłym naturalnym silnikiem molekularnym odkrytym w 2011 r. Jest ten, który napędza ruch bakterii. Projekcja podobna do włosów na grzbiecie bakterii zwana wici wiruje ruchem napędzanym śmigłem, który gdyby był wyskalowany do poziomu ludzkich silników codziennych, byłby 45 razy mocniejszy niż przeciętny silnik benzynowy.