Um motor molecular (ou nanomotor) é uma classe de máquina molecular que, tal como um motor macroscópico propriamente dito, é capaz de converter uma forma qualquer de energia aplicada sobre ele em energia mecânica para realizar um trabalho específico, como um movimento de rotação. Essas máquinas moleculares podem ocorrer naturalmente (como diversos motores biológicos) ou podem ser produzidos artificialmente. Diversas pesquisas vêm sendo desenvolvidas com o intuito de aperfeiçoar os nanomotores obtidos artificialmente até então, onde o grande objetivo dos químicos é construir um nanomotor que tenha a mesma eficiência de um motor biológico. Embora a expressão “motor molecular” esteja tradicionalmente ligada a motores biológicos, também pode ser usada para se referir a motores artificiais.Centro de Física Teórica e Computacional. Nanorrobôs e Motores Moleculares. Disponível em: < http://cftc.cii.fc.ul.pt/PRISMA/capitulos/capitulo4/modulo2/topico5.php> Acesso em: 03 de jan. 2017.
Movimento dos Motores Moleculares 300px|right|thumb|Representação do ciclo termodinâmico de um motor molecular.
Um motor molecular é composto por átomos organizados em estruturas capazes de realizar trabalho na forma de movimentos (moleculares ou supramoleculares) quando uma forma de energia é fornecida à molécula. O processo resultante deve ser cíclico e unidimensional para que o composto não seja modificado permanentemente, ou seja, a máquina deve ser capaz de realizar um movimento repetidas vezes sem ser alterada. Os motores artificiais mais atuais são, geralmente, alimentados por energia luminosa ou por diferença de potencial elétrico, opções mais viáveis que a energia química, pois energia química é oriunda de reações químicas que podem gerar resíduos.Quinn, Jordan R. Synthetic Molecular Motors. Departament of Chemistry, University of Illinois at Urbain-Champaign. 2003. O motor é o coração de uma máquina, sendo um dispositivo que converte um combustível qualquer em energia cinética de maneira controlada, produzindo movimento. Entretanto, uma grande dificuldade no funcionamento de uma máquina molecular é o controle do movimento realizado, especialmente o seu direcionamento.Browne, Wesley R; Feringa, Ben L. Making molecular machines work. Nature Nanotechnology Vol. 1, 25-35 (2006)
Motores moleculares brownianos Entretanto, embora seja conveniente fazer analogias diretas entre nanomáquinas e nanomotores com suas contrapartes macroscópicas, é preciso ter cautela, pois estas analogias as vezes podem acabar confundindo ao invés de trazer respostas. Se para os motores macroscópicos, forças que governam o movimento destes (em especial, a gravidade) tem extrema relevância, essa mesma relevância é extremamente pequena para objetos como os nanomotores, que possuem dimensões extremamente diminutas. Neste mundo de nanodimensões, há um efeito que possui extrema relevância e deve ser levado em consideração, um efeito inerente ao fluído onde os nanomotores se encontram: o chamado movimento browniano. Os motores moleculares são dependentes do movimento browniano, apesar de não serem originados por movimentos aleatórios (já que, de acordo com a 2ª lei da termodinâmica, o trabalho não pode ser derivado do movimento aleatório). A exploração deste movimento possibilita aos motores (assim como as máquinas moleculares num todo) se moverem em um mundo tão turbulento. A natureza encontrou formas de explorar os efeitos da catraca browniana, algo que os pesquisadores vem tentando imitar nas suas pesquisas de desenvolvimento de máquinas artificiais.
Embora a direção do movimento nos nanosistemas seja aleatória, estudosHawthorne, M. F. et al. Electrical or photocontrol of the rotary motion of a metallacarborane. Science 303, 1849–1851 (2004). apontam que o principal problema para o funcionamento de uma nanomáquina, o controle de seu movimento, pode ser contornado. A unidirecionalidade que se busca neste movimento poderia ser obtida por meio da adição de assimetria a estrutura.
Motores moleculares rotacionais e Lineares No que diz respeito ao tipo de movimento realizado, um motor molecular pode ser classificado em duas categorias:rotacionais e lineares. Motores rotacionais são os motores que produzem um movimento rotacional. Para isto, se faz necessária a possibilidade de que realize um movimento de rotação de 360° contínuo em algum de seus componentes. Outra característica importante é a presença de quiralidade no composto, para que seja possível se produzir o movimento unidirecional. de maneira análoga, motores lineares são aqueles cujo movimento produzido é de forma linear, sem característica rotacional. Entre os motores biológicos, os exemplo mais proeminente de motor rotativo é a ATP sintase, enquanto que o tecido muscular é o exemplo mais proeminente de motor biológico linear. No grupo dos motores sintéticos, os movimentos geralmente observados nessas estruturas incluem rotação sobre uma ligação, alterações conformacionais ou movimento induzido por interações não covalentes. Entre os motores existentes, vários deles se baseiam na isomerização cis-trans de uma ligação dupla ou nas interações intermoleculares dos rotaxanos.
Mecanismos de movimento Dentre os mecanismos geralmente observados no funcionamento de motores moleculares, observa-se três mecanismos diferentes realizados por eles para a produção de movimento:
Rotação em torno de uma ligação química Quando ocorre a rotação de um grupo em torno de uma ligação, que deve ter uma certa liberdade de movimentação, como se fosse uma roda.
Mudança de conformação: Se baseia numa mudança espacial no motor. Em geral, a molécula pode ser levada para uma forma de isômero menos estável, e depois retorna naturalmente a forma mais estável, ocorrendo o movimento.
Movimentos induzidos por interações não-covalentes: São movimentos que ocorrem devido a ligações intermoleculares ou intramoleculares, que podem encaminhar o movimento de um determinado grupamento do motor.
Motores moleculares naturais Os motores moleculares naturais são máquinas biológicas responsáveis pela grande maioria das formas de movimento encondas no mundo celular. Nessas estruturas, a energia liberada pela quebra da adenosina trifosfato (ATP) é convertida em trabalho mecânico, onde os movimentos realizados lembram os movimentos realizados por máquinas macroscópicas. Atualmente, a ATP sintase (um verdadeiro motor rotativo molecular) é uma das máquinas moleculares naturais mais eficientes conhecidas, convertendo a energia oriunda da molécula de adenosina trifosfato em movimento rotacional, onde a eficiência alcançada por esses motores biológicos é de quase 100%. Embora as pesquisas atuais com motores artificiais sejam bem promissoras, ainda serão necessários mais alguns anos de estudo para se aproximar mais da eficiência alcançada pelos motores biológicos. Embora os motores biológicos superem, e muito, suas contrapartes artificiais em nível de complexidade e eficiência, é necessário levar em consideração o tempo que a natureza teve para dar a esses motores naturais a possibilidade de alcançarem a eficiência que possuem atualmente.Ronconi, Célia Machado. Nanomáquinas: Químicos como arquitetos do mundo molecular. Ciência Hoje, RJ, ago./ 2011, n° 284, p. 34-39 Os motores moleculares naturais atuam especialmente no citoplasma da célula, realizando o transporte de estruturas (organelas ou macromoléculas) de um ponto a outro da célula. Esses motores citoplásmáticos se dividem atualmente em três grandes famílias: as miosinas, as cinesinas e as dineínas. Enquanto a miosina se locomove por meio de filamentos de actina, as outras duas se locomovem por meio de microtúbulos. A engenhosidade e complexidade envolvidas no funcionamento destas clases de motores faz com que cada uma seja considerada uma verdadeira superfamília de compostos, onde, atualmente, se conhece ao menos 18 diferentes classes de miosinas, 10 de cinesinas e 2 de dineínas.Schliwa, Manfred; Woehlke, Günther. Molecular motors. Nature |Vol 422|17 April 2003
A Superfamília das Miosinas thumb|Parte da estrutura da miosina. As miosinas são motores moleculares que utilizam a energia da hidrólise de adenosina trifosfato (ATP) para a realização do movimento que se estabelece ao longo de filamentos de actina, sendo constituídas de uma a duas cadeias pesadas e uma ou mais cadeias leves. Os motores de miosina, juntamente com os filamentos de actina correspondentes, desempenham papéis importantes em muitos processos biológicos dinâmicos, como motilidade, adesão, endocitose, fluxo citoplasmático, crescimento de neurônios, manutenção estrutural, polarização, transdução de sinais intracelulares, podendo também auxiliar também na formação ou manutenção de estruturas organizadas baseadas em actina (tais como a estereocilia de células ciliadas).Schliwa, Manfred. (ed.) Molecular Motors. (VCH-Wiley, Weinheim, 2003).
A Superfamília das Cinesinas thumb|right|250px|Um dímero de cinesina liga-se a um microtúbulo e movimenta-se ao longo deste As cinesinas são motores moleculares que transportando vesículas contendo substâncias dentro do citoplasma da célula, deslocando-se por meio de microtúbulos, onde as cinesinas, literalmente, “caminham” pelos microtúbulos, se movenfo no sentido positivo destes. As cinesinas possuem, normalmente, duas cadeias pesadas (que seriam os “pés” da estrutura) e outras duas cadeias mais leves. Enquanto as cadeias pesadas interagem com os microtubulos (onde a hidrólise de ATP fornece a energia para o movimentos destes pés), as cadeias mais leves se acoplam a carga a ser transportada, onde as cinenisas são capazes de carregar estruturas muito maiores do que elas próprias.
A Superfamília das Dineínas thumb|248px|Complexo de dineina.
Dineínas são motores moleculares formados, geralmente, por uma a três cadeias pesadas e várias outras cadeias mais leves, estando envolvidas em uma ampla variedade de processos celulares fundamentais, como a mitose, o transporte vesicular, o desenvolvimento embrionário e a montagem e motilidade de cílios e flagelos. Podem ser classificadas em dois tipos, quanto a função que exercem dentro do sistema celular: dineínas citoplasmáticas e dineínas axonemais.
As dineínas citoplasmáticas operam transportando cargas que se anexam a suas cadeias mais leves, enquanto suas cadeias pesadas podem se acoplar a microtúbulos, de forma similar ao movimento realizado pelas cinesinas. Enquanto as cinesinas se movem no sentido positivo dos microtubulos, as dineínas se movem no sentido negativo destes. Já as dineínas axonemais são responsáveis diretas pela movimentação de cíclios e flagelos, e também contribuem para a montagem destes.
Nos cílios de uma célula, as dineínas atuam possibilitando a movimentação destes da seguinte forma: cada dois pares de cílios (formados por microtúbulos) se encontram interligados por cadeias de dineína, onde a movimentação dessas cadeias motoras promove a movimentação dos cílios. Já a movimentação dos flagelos, é um dos sistemas mais impressionantemente complexas já observadas entre as máquinas biológicas, onde o motor que garante a movimentação da estrutura, funciona por meio de um gradiente de prótons.
Motores moleculares artificiais A criação de máquinas moleculares surgiu a partir da inspiração de cientistas nos motores naturais. Embora possam ser ainda consideradas primitivas frente aos biomotores (já que esses possuem um grau de complexidade que ainda não pode equiparar), as pesquisas no desenvolvimento dessas máquinas tem evoluído bastante graças a fatores como: evolução dos métodos de síntese de substâncias, evolução do estudo de interações químicas (por meio de avançadas técnicas computacionais) e o avanço de técnicas de caracterização dessas substâncias.