Co to są silniki molekularne?

Silniki molekularne są zespołami białek w środowisku komórkowym żywych organizmów, które poprzez złożone procesy składania i chemiczne mogą wykonywać ruch mechaniczny do różnych celów, takich jak transport materiałów lub ładunków elektrycznych w cytoplazmie komórkowej lub replikowania DNA i innych związków. Molekularne białka motoryczne są również fundamentalne dla skurczów mięśni i działań, takich jak ruch bakterii poprzez rodzaj ruchu pływania napędzanego śmigłem. Większość naturalnych silników molekularnych czerpie energię chemiczną dla ruchu z tego samego podstawowego procesu, w którym organizmy wykorzystują do wytwarzania energii do podtrzymywania życia-poprzez rozkład i syntezę złożonego trifosforanu adenozynowego (ATP).

, choć na podstawowym poziomie molekularnym wykonują wiele tych samych funkcji. Większość aktywności motorycznej molekularnej odbywa się w płynnym środowisku napędowymn przez siły termiczne i bezpośrednio dotknięty losowym ruchem pobliskich cząsteczek, zwanych ruchem Browna. To środowisko organiczne, wraz ze złożoną naturą składania białek i reakcji chemicznych, na których motor molekularny polega na funkcjonowaniu, uczyniło zrozumienie ich zachowania, które zajęło dziesięciolecia badań.

Badania nanotechnologii w skali atomowej i molekularnej koncentrowały się na przyjmowaniu materiałów biologicznych i produkcji silników molekularnych, które przypominają silniki, z którymi znana jest codzienna inżynieria. Najważniejszym tego przykładem był motor zbudowany przez zespół naukowców z Boston College of Massachusetts w USA w 1999 r., Który składał się z 78 atomów i zajęło cztery lata pracy. Silnik miał obrotowe wrzeciono, które zajęłoby kilka godzin, aby wykonać jedną rewolucję i zostało zaprojektowane do obracania się tylko w jednym kierunku. CząsteczkaMotor AR polegał na syntezie ATP jako źródła energii i był wykorzystywany jako platforma badawcza do zrozumienia podstaw przejścia energii chemicznej w ruch mechaniczny. Podobne badania zostały ukończone przez holenderskich i japońskich naukowców wykorzystujących węgiel do wytwarzania syntetycznych silników molekularnych napędzanych energią światła i cieplną, a ostatnie próby od 2008 r. Opracowały metodę tworzenia silnika, który wytwarza ciągły poziom obrotowego momentu obrotowego.

Biologicznie silniki molekularne mają różnorodną listę funkcji i struktur. Główne silniki transportowe są napędzane białkami miozyny, kinezyny i dyneiny, a aktyna jest głównym białkiem obecnym w skurczach mięśni postrzeganych u gatunków tak różnorodnych jak glony dla ludzi. Badania, w jaki sposób funkcjonowanie tych białek stały się tak szczegółowe od 2011 r., Że jest teraz wiadomo, że dla każdej cząsteczki ATP, że zużywa 50-nanometrowa cząsteczka kinezyny, jest w stanie przenosić ładunek chemiczny w odległości 8 nanometrów zn komórka. Wiadomo również, że kinezyna jest również wydajna w 50% w przekształcaniu energii chemicznej na energię mechaniczną i zdolna do wytwarzania 15 razy więcej energii dla jej wielkości niż standardowy silnik benzynowy.

Wiadomo, że miozyna jest najmniejszym z silników molekularnych, ale niezbędne jest skurcze mięśni, a forma ATP zwanej syntazą ATP jest również silnikiem molekularnym stosowanym do budowy difosforanu adenozyny (ADP) do magazynowania energii jako ATP. Być może najbardziej niezwykłym naturalnym silnikiem molekularnym odkrytym od 2011 r. Jest jednak ten, który napędza ruch bakterii. Projekcja podobna do włosów z tyłu bakterii zwana flagelą obraca się ruchem napędzanym śmigłem, który, gdyby skalowany do ludzkiego poziomu silników codziennych, byłby 45 razy mocniejszy niż przeciętny silnik benzynowy.