Los motores moleculares son conjuntos de proteínas dentro del entorno celular de los organismos vivos que, a través de complejos procesos de plegamiento y químicos, pueden realizar movimientos mecánicos para diversos fines, como transportar materiales o cargas eléctricas dentro del citoplasma de una célula o replicar el ADN y otros compuestos. . Las proteínas motoras moleculares también son fundamentales para las contracciones y acciones musculares, como el movimiento de bacterias a través de un tipo de movimiento de natación impulsado por hélice. La mayoría de los motores moleculares naturales obtienen la energía química para el movimiento del mismo proceso básico que los organismos utilizan para producir energía para sustentar la vida: mediante la descomposición y síntesis del compuesto trifosfato de adenosina (ATP).
Aunque en un nivel básico los motores moleculares realizan muchas de las mismas funciones que los motores electromecánicos a escala humana macroscópica, operan en un tipo de entorno muy diferente. La mayor parte de la actividad motora molecular tiene lugar en un entorno líquido impulsado por fuerzas térmicas y afectado directamente por el movimiento aleatorio de moléculas cercanas, conocido como movimiento browniano. Este entorno orgánico, junto con la naturaleza compleja del plegamiento de proteínas y las reacciones químicas de las que depende un motor molecular para funcionar, ha hecho que la comprensión de su comportamiento haya llevado décadas de investigación.
La investigación en nanotecnología a escala atómica y molecular se ha centrado en tomar materiales biológicos y fabricar motores moleculares que se asemejen a los motores con los que la ingeniería cotidiana está familiarizada. Un ejemplo destacado de esto fue un motor construido por un equipo de científicos del Boston College de Massachusetts en los EE. UU. En 1999 que constaba de 78 átomos, y su construcción tomó cuatro años de trabajo. El motor tenía un eje giratorio que tardaría varias horas en hacer una revolución y estaba diseñado para girar en una sola dirección. El motor molecular se basó en la síntesis de ATP como fuente de energía y se utilizó como plataforma de investigación para comprender los fundamentos de la transición de la energía química al movimiento mecánico. Desde entonces, científicos holandeses y japoneses han llevado a cabo investigaciones similares que utilizan carbono para producir motores moleculares sintéticos alimentados por luz y energía térmica, y los intentos recientes a partir de 2008 han desarrollado un método para crear un motor que produzca un nivel continuo de par de rotación.
Biológicamente, los motores moleculares tienen una lista diversa de funciones y estructuras. Los principales motores de transporte son impulsados por las proteínas miosina, quinesina y dineína, y la actina es la principal proteína presente en las contracciones musculares que se observan en especies tan diversas como las algas y los humanos. La investigación sobre cómo funcionan estas proteínas se ha vuelto tan detallada a partir de 2011 que ahora se sabe que, por cada molécula de ATP que consume una molécula de quinesina de 50 nanómetros de largo, es capaz de mover carga química a una distancia de 8 nanómetros dentro Una célula. También se sabe que la kinesina es 50% eficiente en la conversión de energía química en energía mecánica y es capaz de producir 15 veces más energía para su tamaño que un motor de gasolina estándar.
Se sabe que la miosina es el motor molecular más pequeño, pero es esencial para las contracciones musculares, y una forma de ATP llamada ATP sintasa también es un motor molecular que se utiliza para acumular difosfato de adenosina (ADP) para el almacenamiento de energía como ATP. Sin embargo, quizás el motor molecular natural más notable descubierto en 2011 es el que impulsa el movimiento de las bacterias. Una proyección similar a un cabello en la parte posterior de una bacteria llamada flagelo gira con un movimiento impulsado por una hélice que, si se escala al nivel humano de los motores cotidianos, sería 45 veces más potente que el motor de gasolina promedio.