¿Qué son los motores moleculares?

Los motores moleculares son conjuntos de proteínas dentro del entorno celular de los organismos vivos que, a través de procesos complejos 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 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 energía química para el movimiento del mismo proceso básico que utilizan los organismos para producir energía para el soporte vital, mediante la descomposición y síntesis del compuesto adenosina trifosfato (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 se lleva a cabo en un entorno líquido impulsado por fuerzas térmicas y directamente afectado por el movimiento aleatorio de las 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 parecen 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 en el Boston College of Massachusetts en los Estados Unidos en 1999 que consistía en 78 átomos, y tomó cuatro años de trabajo para construirlo. El motor tenía un husillo rotativo que tomaría varias horas para hacer una revolución y fue diseñado para rotar en una sola dirección. El motor molecular dependía de 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 en movimiento mecánico. Desde entonces, científicos holandeses y japoneses han realizado investigaciones similares utilizando carbono para producir motores moleculares sintéticos que funcionan con energía de luz y calor, y los intentos recientes a partir de 2008 han desarrollado un método para crear un motor que produce un nivel continuo de par de rotación.

Biológicamente, los motores moleculares tienen una lista diversa de funciones y estructuras. Los principales motores de transporte funcionan con las proteínas miosina, kinesina y dineína, y la actina es la proteína principal presente en las contracciones musculares que se ven en especies tan diversas como las algas para 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 kinesina de 50 nanómetros de largo, es capaz de mover carga química a una distancia de 8 nanómetros dentro Una célula. También se sabe que Kinesin es 50% eficiente en la conversión de energía química en energía mecánica y capaz de producir 15 veces más potencia para su tamaño que un motor de gasolina estándar.

Se sabe que la miosina es el más pequeño de los motores moleculares, sin embargo, es esencial para las contracciones musculares, y una forma de ATP llamada ATP sintasa también es un motor molecular utilizado para construir adenosina difosfato (ADP) para el almacenamiento de energía como ATP. Quizás el motor molecular natural más notable descubierto a partir de 2011, sin embargo, 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.