I motori molecolari sono assemblaggi di proteine all’interno dell’ambiente cellulare di organismi viventi che, attraverso complessi processi chimici e di piegatura, possono eseguire movimenti meccanici per vari scopi, come trasportare materiali o cariche elettriche all’interno del citoplasma di una cellula o replicare DNA e altri composti . Le proteine motrici molecolari sono anche fondamentali per le contrazioni muscolari e le azioni come il movimento dei batteri attraverso un tipo di movimento del nuoto guidato da un’elica. La maggior parte dei motori molecolari naturali ricava energia chimica per il movimento dallo stesso processo di base che gli organismi usano per produrre energia per il supporto vitale, dalla scomposizione e sintesi del composto adenosina trifosfato (ATP).
Sebbene a livello di base i motori molecolari svolgano molte delle stesse funzioni dei motori elettromeccanici su scala umana macroscopica, operano in un tipo di ambiente molto diverso. La maggior parte dell’attività motoria molecolare si svolge in un ambiente liquido guidato da forze termiche e direttamente influenzato dal movimento casuale delle molecole vicine, noto come moto browniano. Questo ambiente organico, insieme alla natura complessa del ripiegamento delle proteine e delle reazioni chimiche su cui si basa un motore molecolare per funzionare, ha reso la comprensione del loro comportamento un compito che ha richiesto decenni di ricerca.
La ricerca in nanotecnologia su scala atomica e molecolare si è concentrata sull’acquisizione di materiali biologici e sulla produzione di motori molecolari che assomigliano ai motori con cui l’ingegneria quotidiana è familiare. Un esempio lampante di ciò è stato un motore costruito da un team di scienziati presso il Boston College of Massachusetts negli Stati Uniti nel 1999 che consisteva di 78 atomi e la costruzione ha richiesto quattro anni di lavoro. Il motore aveva un mandrino rotante che avrebbe impiegato diverse ore per compiere un giro ed era progettato per ruotare in una sola direzione. Il motore molecolare si basava sulla sintesi dell’ATP come fonte di energia ed è stato utilizzato come piattaforma di ricerca per comprendere i fondamenti della transizione dell’energia chimica in movimento meccanico. Da allora una ricerca simile è stata completata da scienziati olandesi e giapponesi che utilizzano il carbonio per produrre motori molecolari sintetici alimentati da energia luminosa e termica, e recenti tentativi a partire dal 2008 hanno sviluppato un metodo per creare un motore che produce un livello continuo di coppia di rotazione.
Biologicamente, i motori molecolari hanno un elenco diversificato di funzioni e strutture. I principali motori di trasporto sono alimentati dalle proteine miosina, chinesina e dineina, e l’actina è la principale proteina presente nelle contrazioni muscolari osservate in specie diverse come le alghe per l’uomo. La ricerca su come funzionano queste proteine è diventata così dettagliata a partire dal 2011 che è ora noto che, per ogni molecola di ATP che consuma una molecola di chinesina lunga 50 nanometri, è in grado di spostare il carico chimico a una distanza di 8 nanometri all’interno una cellula. Kinesin è anche noto per essere efficiente del 50% nel convertire l’energia chimica in energia meccanica e in grado di produrre 15 volte più potenza per le sue dimensioni rispetto a un motore a benzina standard.
La miosina è nota per essere il più piccolo dei motori molecolari, ma è essenziale per le contrazioni muscolari e una forma di ATP chiamata ATP sintasi è anche un motore molecolare utilizzato per accumulare adenosina difosfato (ADP) per l’accumulo di energia come ATP. Forse il motore molecolare naturale più notevole scoperto a partire dal 2011, tuttavia, è quello che alimenta il movimento dei batteri. Una proiezione simile a un capello sul retro di un batterio chiamato flagello ruota con un movimento azionato da un’elica che, se ridimensionato al livello umano dei motori di tutti i giorni, sarebbe 45 volte più potente del motore a benzina medio.