O que são motores moleculares?

Motores moleculares são conjuntos de proteínas no ambiente celular de organismos vivos que, por meio de processos químicos complexos e dobrados, podem executar movimentos mecânicos para diversos fins, como transportar materiais ou cargas elétricas no citoplasma de uma célula ou replicar DNA e outros compostos . As proteínas motoras moleculares também são fundamentais para as contrações e ações musculares, como o movimento de bactérias através de um tipo de movimento de natação movido a hélice. A maioria dos motores moleculares naturais obtém energia química para o movimento a partir do mesmo processo básico que os organismos usam para produzir energia para suporte à vida - pela decomposição e síntese do composto adenosina trifosfato (ATP).

Embora em um nível básico os motores moleculares desempenhem muitas das mesmas funções que os motores eletromecânicos na escala humana macroscópica, eles operam em um tipo muito diferente de ambiente. A maioria das atividades motoras moleculares ocorre em um ambiente líquido que é impulsionado por forças térmicas e diretamente afetado pelo movimento aleatório de moléculas próximas, conhecido como movimento browniano. Esse ambiente orgânico, juntamente com a natureza complexa do dobramento de proteínas e das reações químicas nas quais um motor molecular depende para funcionar, fez com que a compreensão de seu comportamento fosse realizada por décadas de pesquisa.

A pesquisa em nanotecnologia em escala atômica e molecular tem se concentrado em levar materiais biológicos e fabricar motores moleculares que se assemelham aos motores com os quais a engenharia cotidiana está familiarizada. Um exemplo proeminente disso foi um motor construído por uma equipe de cientistas do Boston College de Massachusetts nos EUA em 1999, que consistia em 78 átomos e levou quatro anos de trabalho para ser construído. O motor tinha um eixo rotativo que levaria várias horas para fazer uma revolução e foi projetado para girar em apenas uma direção. O motor molecular contava com a síntese de ATP como fonte de energia e era usado como plataforma de pesquisa para entender os fundamentos da transição da energia química para o movimento mecânico. Pesquisas semelhantes foram concluídas por cientistas holandeses e japoneses que usam carbono para produzir motores moleculares sintéticos alimentados por energia de luz e calor, e tentativas recentes a partir de 2008 desenvolveram um método para criar um motor que produz um nível contínuo de torque rotacional.

Biologicamente, os motores moleculares têm uma lista diversificada de funções e estruturas. Os principais motores de transporte são alimentados pelas proteínas miosina, cinesina e dineína, e a actina é a principal proteína presente nas contrações musculares observadas em espécies tão diversas quanto as algas para os seres humanos. Pesquisas sobre como essas proteínas funcionam se tornaram tão detalhadas a partir de 2011 que agora se sabe que, para cada molécula de ATP que uma molécula de cinesina de 50 nanômetros de comprimento consome, ela é capaz de mover carga química a uma distância de 8 nanômetros uma célula. O Kinesin também é conhecido por ser 50% eficiente na conversão de energia química em energia mecânica e capaz de produzir 15 vezes mais energia para seu tamanho do que um motor a gasolina comum poderia.

Sabe-se que a miosina é o menor dos motores moleculares, mas é essencial para as contrações musculares, e uma forma de ATP chamada ATP sintase também é um motor molecular usado para construir difosfato de adenosina (ADP) para armazenamento de energia como ATP. Talvez o motor molecular natural mais notável descoberto em 2011, no entanto, seja o que impulsiona o movimento de bactérias. Uma projeção de cabelo na parte de trás de uma bactéria chamada flagelo gira com um movimento impulsionado por hélice que, se escalado para o nível humano dos motores do dia a dia, seria 45 vezes mais poderoso que o motor a gasolina comum.