Vad är molekylära motorer?

Molekylmotorer är sammansättningar av proteiner i den cellulära miljön hos levande organismer som genom komplexa vikning och kemiska processer kan utföra mekanisk rörelse för olika ändamål, såsom att transportera material eller elektriska laddningar inom cytoplasma av en cell eller replikera DNA och andra föreningar . Molekylära motoriska proteiner är också grundläggande för muskelkontraktioner och åtgärder såsom bakteriernas rörelse genom en typ av propellerdriven simningsrörelse. De flesta naturliga molekylära motorer erhåller kemisk energi för rörelse från samma grundläggande process som organismer använder för att producera energi för livsstöd - genom nedbrytning och syntes av föreningen adenosintrifosfat (ATP).

Även om molekylmotorer på grundläggande nivå utför många av samma funktioner som elektromekaniska motorer i makroskopisk skala, fungerar de i en mycket annan typ av miljö. De flesta molekylära motoraktiviteter äger rum i en flytande miljö som drivs av termiska krafter och direkt påverkas av slumpmässiga rörelser i närliggande molekyler, känd som Brownsk rörelse. Denna organiska miljö, tillsammans med den komplexa naturen av proteinvikning och kemiska reaktioner som en molekylmotor förlitar sig för att fungera, har gjort att man har fått en förståelse för deras beteende som har tagit decennier av forskning.

Forskning inom nanoteknik på atom- och molekylär skala har fokuserat på att ta biologiska material och tillverka molekylmotorer som liknar de motorer som vardagsteknik känner till. Ett framträdande exempel på detta var en motor konstruerad av ett team av forskare vid Boston College of Massachusetts i USA 1999 som bestod av 78 atomer och tog fyra års arbete för att konstruera. Motorn hade en roterande spindel som skulle ta flera timmar att göra en varv och var utformad för att bara rotera i en riktning. Molekylmotorn förlitade sig på ATP-syntes som sin energikälla och användes som en forskningsplattform för att förstå grunderna i övergången av kemisk energi till mekanisk rörelse. Liknande forskning har sedan avslutats av holländska och japanska forskare som använder kol för att producera syntetiska molekylmotorer drivna med ljus och värmeenergi, och de senaste försöken från och med 2008 har utvecklat en metod för att skapa en motor som producerar en kontinuerlig nivå av rotationsmoment.

Biologiskt sett har molekylmotorer en mångfaldig lista över funktioner och strukturer. De viktigaste transportmotorerna drivs av proteinerna myosin, kinesin och dynein, och aktin är det viktigaste proteinet som finns i muskelkontraktioner som ses i arter som är så olika som alger för människor. Forskning om hur dessa proteiner fungerar har blivit så detaljerad från och med 2011 att det nu är känt att för varje molekyl av ATP som en 50 nanometer lång molekyl kinesin förbrukar, den kan flytta kemisk last ett avstånd på 8 nanometer inom en cell. Kinesin är också känt för att vara 50% effektivt när det gäller att konvertera kemisk energi till mekanisk energi och kan producera 15 gånger mer kraft för sin storlek än vad en vanlig bensinmotor kunde.

Myosin är känt för att vara den minsta av molekylmotorer, men ändå är det viktigt för muskelkontraktioner, och en form av ATP som kallas ATP-synthas är också en molekylmotor som används för att bygga upp adenosindifosfat (ADP) för energilagring som ATP. Kanske är den mest anmärkningsvärda naturliga molekylmotorn som upptäcktes från och med 2011 den som driver bakteriernas rörelse. En hårliknande projektion på baksidan av en bakterie som kallas en flagellum snurrar med en propellerdriven rörelse som, om den skalas upp till den mänskliga nivån för vardagsmotorer, skulle vara 45 gånger kraftigare än den genomsnittliga bensinmotorn.