มอเตอร์โมเลกุลเป็นส่วนประกอบของโปรตีนภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตที่ผ่านกระบวนการพับและกระบวนการทางเคมีที่ซับซ้อนสามารถทำการเคลื่อนที่เชิงกลเพื่อวัตถุประสงค์ต่าง ๆ เช่นการขนส่งวัสดุหรือประจุไฟฟ้าภายในไซโตพลาสซึมของเซลล์หรือทำซ้ำ DNA และสารประกอบอื่น ๆ . โปรตีนในมอเตอร์โมเลกุลก็เป็นพื้นฐานของการหดตัวของกล้ามเนื้อและการกระทำเช่นการเคลื่อนไหวของแบคทีเรียผ่านการเคลื่อนไหวว่ายน้ำที่ขับเคลื่อนด้วยใบพัด มอเตอร์โมเลกุลธรรมชาติส่วนใหญ่ได้รับพลังงานเคมีสำหรับการเคลื่อนที่จากกระบวนการพื้นฐานเดียวกับที่สิ่งมีชีวิตใช้เพื่อผลิตพลังงานเพื่อช่วยชีวิต - โดยการสลายและการสังเคราะห์สารประกอบอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP)
แม้ว่าในระดับโมเลกุลมอเตอร์ขั้นพื้นฐานจะทำหน้าที่หลายอย่างเช่นเดียวกับมอเตอร์ไฟฟ้าเชิงกลในระดับมนุษย์ขนาดมหึมา แต่ก็ทำงานในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันมาก กิจกรรมมอเตอร์โมเลกุลส่วนใหญ่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่เป็นของเหลวซึ่งถูกขับเคลื่อนโดยแรงความร้อนและได้รับผลกระทบโดยตรงจากการเคลื่อนที่แบบสุ่มของโมเลกุลที่อยู่ใกล้เคียงหรือที่รู้จักกันในชื่อ Brownian motion สภาพแวดล้อมทางอินทรีย์นี้พร้อมกับธรรมชาติที่ซับซ้อนของการพับโปรตีนและปฏิกิริยาทางเคมีที่มอเตอร์โมเลกุลอาศัยทำงานได้ทำให้ได้รับความเข้าใจในพฤติกรรมของพวกเขาที่ใช้เวลาวิจัยมานานหลายทศวรรษ
การวิจัยด้านนาโนเทคโนโลยีในระดับอะตอมและโมเลกุลมุ่งเน้นไปที่วัสดุชีวภาพและการผลิตมอเตอร์โมเลกุลที่มีลักษณะคล้ายกับมอเตอร์ซึ่งเป็นที่คุ้นเคยทางวิศวกรรมในชีวิตประจำวัน ตัวอย่างที่โดดเด่นของเรื่องนี้คือมอเตอร์ที่สร้างขึ้นโดยทีมนักวิทยาศาสตร์ที่วิทยาลัยบอสตันแมสซาชูเซตส์ในสหรัฐอเมริกาเมื่อปี 2542 ที่ประกอบไปด้วย 78 อะตอมและใช้เวลาสี่ปีในการสร้าง มอเตอร์มีแกนหมุนที่ใช้เวลาหลายชั่วโมงในการหมุนรอบเดียวและออกแบบมาเพื่อหมุนในทิศทางเดียวเท่านั้น มอเตอร์โมเลกุลอาศัยการสังเคราะห์ ATP เป็นแหล่งพลังงานและถูกใช้เป็นแพลตฟอร์มการวิจัยเพื่อทำความเข้าใจพื้นฐานของการเปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นการเคลื่อนไหวเชิงกล การวิจัยที่คล้ายกันนั้นเสร็จสมบูรณ์แล้วโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์และญี่ปุ่นที่ใช้คาร์บอนเพื่อผลิตมอเตอร์โมเลกุลสังเคราะห์ที่ขับเคลื่อนด้วยแสงและพลังงานความร้อนและความพยายามล่าสุดในปี 2008 ได้พัฒนาวิธีการสร้างมอเตอร์ที่สร้างแรงบิดในระดับหมุนอย่างต่อเนื่อง
มอเตอร์โมเลกุลทางชีวภาพมีรายการฟังก์ชันและโครงสร้างที่หลากหลาย มอเตอร์ส่งกำลังหลักขับเคลื่อนด้วยโปรตีน myosin, kinesin และ dynein และ actin เป็นโปรตีนสำคัญที่มีอยู่ในการหดตัวของกล้ามเนื้อในสายพันธุ์ที่มีความหลากหลายเท่ากับสาหร่ายต่อมนุษย์ การวิจัยเกี่ยวกับการทำงานของโปรตีนเหล่านี้มีรายละเอียดมากจนถึงปี 2554 ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่าสำหรับทุกโมเลกุลของ ATP ที่โมเลกุลของ kinesin ยาว 50 นาโนเมตรนั้นสามารถเคลื่อนย้ายสินค้าเคมีได้ในระยะทาง 8 นาโนเมตรภายใน เซลล์ เป็นที่รู้กันว่า Kinesin นั้นมีประสิทธิภาพ 50% ในการเปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานกลและสามารถผลิตพลังงานได้มากกว่าขนาดของเครื่องยนต์เบนซินถึง 15 เท่า
เป็นที่ทราบกันว่า Myosin เป็นมอเตอร์โมเลกุลขนาดเล็กที่สุด แต่ก็มีความจำเป็นต่อการหดตัวของกล้ามเนื้อและรูปแบบของ ATP ที่เรียกว่า ATP synthase เป็นมอเตอร์โมเลกุลที่ใช้ในการสร้าง adenosine diphosphate (ADP) สำหรับการจัดเก็บพลังงานเป็น ATP อย่างไรก็ตามมอเตอร์โมเลกุลตามธรรมชาติที่น่าทึ่งที่สุดที่ค้นพบเมื่อปี 2554 เป็นสิ่งที่ขับเคลื่อนการเคลื่อนที่ของแบคทีเรีย ภาพคล้ายเส้นผมที่ด้านหลังของแบคทีเรียที่เรียกว่าสปิลเซลลัมสปินด้วยการขับเคลื่อนด้วยใบพัดซึ่งหากปรับให้สูงขึ้นถึงระดับมนุษย์ของมอเตอร์ประจำวันจะมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องยนต์เบนซินเฉลี่ย 45 เท่า
