Les moteurs moléculaires sont des assemblages de protéines dans l’environnement cellulaire d’organismes vivants qui, grâce à des processus de repliement et chimiques complexes, peuvent effectuer un mouvement mécanique à diverses fins, comme transporter des matériaux ou des charges électriques dans le cytoplasme d’une cellule ou répliquer l’ADN et d’autres composés . Les protéines motrices moléculaires sont également fondamentales pour les contractions musculaires et les actions telles que le mouvement des bactéries à travers un type de mouvement de nage entraîné par hélice. La plupart des moteurs moléculaires naturels tirent l’énergie chimique pour le mouvement du même processus de base que les organismes utilisent pour produire de l’énergie pour le maintien de la vie – par la décomposition et la synthèse du composé adénosine triphosphate (ATP).
Bien qu’à un niveau élémentaire, les moteurs moléculaires remplissent bon nombre des mêmes fonctions que les moteurs électromécaniques à l’échelle humaine macroscopique, ils fonctionnent dans un type d’environnement très différent. La majeure partie de l’activité motrice moléculaire se déroule dans un environnement liquide entraîné par des forces thermiques et directement affecté par le mouvement aléatoire des molécules voisines, appelé mouvement brownien. Cet environnement organique, ainsi que la nature complexe du repliement des protéines et des réactions chimiques sur lesquelles un moteur moléculaire s’appuie pour fonctionner, ont fait de la compréhension de leur comportement une étude qui a nécessité des décennies de recherche.
La recherche en nanotechnologie à l’échelle atomique et moléculaire s’est concentrée sur la prise de matériaux biologiques et la fabrication de moteurs moléculaires qui ressemblent aux moteurs avec lesquels l’ingénierie de tous les jours est familière. Un exemple frappant de ceci était un moteur construit par une équipe de scientifiques du Boston College of Massachusetts aux États-Unis en 1999 qui se composait de 78 atomes et qui a nécessité quatre ans de travail pour le construire. Le moteur avait une broche rotative qui prendrait plusieurs heures pour faire une révolution et était conçue pour tourner dans un seul sens. Le moteur moléculaire reposait sur la synthèse d’ATP comme source d’énergie et a été utilisé comme plate-forme de recherche pour comprendre les principes fondamentaux de la transition de l’énergie chimique en mouvement mécanique. Des recherches similaires ont depuis été menées par des scientifiques néerlandais et japonais utilisant du carbone pour produire des moteurs moléculaires synthétiques alimentés par l’énergie lumineuse et thermique, et des tentatives récentes en 2008 ont développé une méthode pour créer un moteur qui produit un niveau continu de couple de rotation.
Biologiquement, les moteurs moléculaires ont une liste diversifiée de fonctions et de structures. Les principaux moteurs de transport sont alimentés par les protéines myosine, kinésine et dynéine, et l’actine est la principale protéine présente dans les contractions musculaires observées chez des espèces aussi diverses que les algues pour l’homme. Les recherches sur le fonctionnement de ces protéines sont devenues si détaillées à partir de 2011 qu’on sait maintenant que, pour chaque molécule d’ATP consommée par une molécule de kinésine de 50 nanomètres de long, elle est capable de déplacer une cargaison chimique sur une distance de 8 nanomètres dans une cellule. La kinésine est également connue pour être efficace à 50 % dans la conversion de l’énergie chimique en énergie mécanique et capable de produire 15 fois plus de puissance pour sa taille qu’un moteur à essence standard.
La myosine est connue pour être le plus petit des moteurs moléculaires, mais elle est essentielle aux contractions musculaires, et une forme d’ATP appelée ATP synthase est également un moteur moléculaire utilisé pour produire de l’adénosine diphosphate (ADP) pour le stockage d’énergie sous forme d’ATP. Cependant, le moteur moléculaire naturel le plus remarquable découvert en 2011 est peut-être celui qui alimente le mouvement des bactéries. Une projection semblable à un cheveu sur le dos d’une bactérie appelée flagelle tourne avec un mouvement entraîné par hélice qui, s’il était mis à l’échelle au niveau humain des moteurs de tous les jours, serait 45 fois plus puissant que le moteur à essence moyen.