Los motores moleculares convierten la energía en movimiento mecánico unidireccional. La mayoría de los motores biomoleculares de las células utilizan trifosfato de adenosina (ATP) como fuente de energía química. Recientemente, sin embargo, La quitinasa A de Serratia marcescens (SmChiA) ha sido redescubierta como un motor molecular que trabaja en entornos extracelulares sin utilizar ATP. Similar a un carro monorraíl (Fig.1), SmChiA tiene sitios de unión de polisacáridos similares a hendiduras e hidroliza procesivamente la quitina cristalina recalcitrante, una fuente importante de biomasa, en una quitobiosa de disacárido soluble en agua. Como herramienta de conversión de biomasa en productos químicos útiles, SmChiA se ha estudiado ampliamente.

Durante la catálisis procesiva y el movimiento sobre una superficie de quitina cristalina, SmChiA se une con una sola cadena de quitina en la hendidura catalítica y repite los pasos químicos y mecánicos. En el paso químico, primero se escinde el enlace glicosídico y se hidroliza la estructura intermedia del sustrato. El producto de reacción, quitobiosa, luego se libera, y la siguiente unidad de quitobiosa se despega de la superficie del cristal (descristalización) acompañada del paso de avance. Considerando el tamaño de la quitobiosa del producto de reacción (~ 1 nm), Se espera que SmChiA se mueva con pasos de un solo nanómetro. Por lo tanto, Se requirió una técnica de obtención de imágenes de una sola molécula con alta precisión y velocidad para resolver los pasos individuales junto con la catálisis.

Para comprender el mecanismo de funcionamiento de la catálisis rápida y el movimiento unidireccional de SmChiA, Nakamura y sus colaboradores en el Instituto de Ciencia Molecular (IMS) analizaron los pasos elementales del movimiento junto con la catálisis utilizando imágenes de una sola molécula de alta precisión y alta velocidad probadas con nanopartículas de oro. Verificaron un movimiento unidireccional rápido (~ 50 nm s-1) con pasos de 1 nm hacia adelante y hacia atrás, coherente con la longitud del producto de reacción quitobiosa. El análisis del efecto isotópico cinético reveló que la hidrólisis es mucho más rápida que la descristalización. La proporción mucho mayor de pasos hacia adelante y hacia atrás se explica por la competencia entre la catálisis (86 por ciento) y el movimiento hacia atrás (14 por ciento), indicando que el movimiento se rectifica hacia adelante por catálisis rápida (Fig. 2). Este es el llamado mecanismo de "puente quemado", quitar el riel detrás, y obligando a la molécula a avanzar.

Es más, por la colaboración entre IMS y el Instituto de Tecnología de Tokio, SmChiA demostró ser un trinquete browniano de "puente quemado", verificado por cristalografía de rayos X y simulación de dinámica molecular de las estructuras intermedias durante el movimiento de deslizamiento. La descristalización de una sola cadena de quitina es el paso de movimiento limitante que se logra mediante la unión de energía libre en el sitio de unión del producto. indicado por la comparación de las diferencias de energía libre estimadas por el análisis de una sola molécula con quitina cristalina y el cálculo teórico de la energía de enlace con oligosacárido soluble.

El hallazgo demuestra cómo SmChiA controla el movimiento browniano y extrae un movimiento unidireccional rápido para la degradación continua de la quitina cristalina sin disociación. La estrategia desarrollada por SmChiA se puede aplicar no solo para diseñar quitinasas y celulasas para degradaciones más eficientes de quitina y celulosa, sino también para diseñar motores moleculares artificiales de rápido movimiento, como los caminadores de ADN.