Molekulare Motoren sind Ansammlungen von Proteinen in der zellulären Umgebung lebender Organismen, die durch komplexe Faltungs- und chemische Prozesse mechanische Bewegungen für verschiedene Zwecke ausführen können, z. B. um Materialien oder elektrische Ladungen im Zytoplasma einer Zelle zu transportieren oder DNA und andere Verbindungen zu replizieren . Molekulare Motorproteine sind auch von grundlegender Bedeutung für Muskelkontraktionen und -aktionen wie die Bewegung von Bakterien durch eine Art von Propeller-angetriebenen Schwimmbewegungen. Die meisten natürlichen molekularen Motoren beziehen chemische Energie für die Bewegung aus demselben grundlegenden Prozess, den Organismen verwenden, um Energie für die Lebenserhaltung zu produzieren – durch den Abbau und die Synthese der Verbindung Adenosintriphosphat (ATP).
Obwohl molekulare Motoren auf einer grundlegenden Ebene viele der gleichen Funktionen erfüllen wie elektromechanische Motoren im makroskopischen Maßstab des Menschen, arbeiten sie in einer ganz anderen Art von Umgebung. Die meisten molekularen Motoraktivitäten finden in einer flüssigen Umgebung statt, die von thermischen Kräften angetrieben und direkt von der zufälligen Bewegung benachbarter Moleküle beeinflusst wird, die als Brownsche Bewegung bekannt ist. Diese organische Umgebung, zusammen mit der komplexen Natur der Proteinfaltung und der chemischen Reaktionen, auf die ein molekularer Motor angewiesen ist, hat dazu geführt, dass das Verständnis ihres Verhaltens jahrzehntelang geforscht wurde.
Die Forschung in der Nanotechnologie auf atomarer und molekularer Ebene hat sich darauf konzentriert, biologische Materialien zu verwenden und molekulare Motoren herzustellen, die den Motoren ähneln, mit denen die alltägliche Technik vertraut ist. Ein prominentes Beispiel dafür war ein von einem Wissenschaftlerteam des Boston College of Massachusetts in den USA im Jahr 1999 konstruierter Motor, der aus 78 Atomen bestand und dessen Konstruktion vier Jahre dauerte. Der Motor hatte eine rotierende Spindel, die mehrere Stunden brauchte, um eine Umdrehung zu machen, und war so konstruiert, dass sie sich nur in eine Richtung drehte. Der molekulare Motor stützte sich auf die ATP-Synthese als Energiequelle und wurde als Forschungsplattform verwendet, um die Grundlagen der Umwandlung chemischer Energie in mechanische Bewegung zu verstehen. Ähnliche Forschungen wurden seitdem von niederländischen und japanischen Wissenschaftlern durchgeführt, die Kohlenstoff verwenden, um synthetische molekulare Motoren herzustellen, die durch Licht- und Wärmeenergie angetrieben werden, und jüngste Versuche ab 2008 haben eine Methode zur Herstellung eines Motors entwickelt, der ein kontinuierliches Drehmoment erzeugt.
Biologisch haben molekulare Motoren eine vielfältige Liste von Funktionen und Strukturen. Die wichtigsten Transportmotoren werden von den Proteinen Myosin, Kinesin und Dynein angetrieben, und Aktin ist das Hauptprotein, das bei Muskelkontraktionen vorhanden ist, die bei so unterschiedlichen Arten wie Algen bis zum Menschen vorkommen. Die Erforschung der Funktionsweise dieser Proteine ist seit 2011 so detailliert, dass jetzt bekannt ist, dass für jedes ATP-Molekül, das ein 50 Nanometer langes Kinesin-Molekül verbraucht, es chemische Fracht innerhalb von 8 Nanometern bewegen kann eine Zelle. Kinesin ist auch dafür bekannt, dass es bei der Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Energie zu 50 % effizient ist und für seine Größe 15-mal mehr Leistung erzeugen kann als ein herkömmlicher Benzinmotor.
Myosin ist bekanntermaßen der kleinste molekulare Motor, ist jedoch für Muskelkontraktionen unerlässlich, und eine Form von ATP, die ATP-Synthase genannt wird, ist auch ein molekularer Motor, der verwendet wird, um Adenosindiphosphat (ADP) zur Energiespeicherung als ATP aufzubauen. Der vielleicht bemerkenswerteste natürliche molekulare Motor, der 2011 entdeckt wurde, ist jedoch derjenige, der die Bewegung von Bakterien antreibt. Eine haarähnliche Projektion auf der Rückseite eines Bakteriums, das als Flagellum bezeichnet wird, dreht sich mit einer Propellerbewegung, die, wenn sie auf das menschliche Niveau eines Alltagsmotors skaliert würde, 45-mal stärker wäre als ein durchschnittlicher Benzinmotor.