Os motores moleculares convertem energia em movimento mecânico unidirecional. A maioria dos motores biomoleculares nas células usa trifosfato de adenosina (ATP) como fonte de energia química. Recentemente, Contudo, Serratia marcescens quitinase A (SmChiA) foi redescoberta como um motor molecular trabalhando em ambientes extracelulares sem o uso de ATP. Semelhante a um carro monotrilho (Fig. 1), SmChiA tem locais de ligação de polissacarídeos semelhantes a fendas e hidrolisa processamente a quitina cristalina recalcitrante, uma importante fonte de biomassa, em um dissacarídeo quitobiose solúvel em água. Como uma ferramenta de conversão de biomassa em produtos químicos úteis, SmChiA foi amplamente estudado.

Durante a catálise processiva e o movimento em uma superfície de quitina cristalina, SmChiA se liga a uma única cadeia de quitina na fenda catalítica e repete as etapas químicas e mecânicas. Na etapa química, a ligação glicosídica é primeiro clivada e a estrutura intermediária do substrato é hidrolisada. O produto da reação, quitobiose, é então liberado, e a próxima unidade de quitobiose é removida da superfície do cristal (descristalização) acompanhada com a etapa de avanço. Considerando o tamanho da quitobiose do produto da reação (~ 1 nm), Espera-se que o SmChiA se mova com tamanhos de etapa de um nanômetro. Portanto, uma técnica de imagem de molécula única com alta precisão e velocidade foi necessária para resolver as etapas únicas acopladas à catálise.

Para entender o mecanismo de operação de catálise rápida e o movimento unidirecional de SmChiA, Nakamura e colegas de trabalho no Institute for Molecular Science (IMS) analisaram etapas elementares do movimento juntamente com a catálise usando imagens de molécula única de alta precisão e alta velocidade sondadas com nanopartículas de ouro. Eles verificaram o movimento unidirecional rápido (~ 50 nm s-1) com passos para frente e para trás de 1 nm, consistente com o comprimento da quitobiose do produto da reação. A análise do efeito do isótopo cinético revelou que a hidrólise é muito mais rápida do que a descristalização. A proporção de passo para frente e para trás muito maior é explicada pela competição entre a catálise (86 por cento) e o movimento para trás (14 por cento), indicando que o movimento é retificado para a frente por catálise rápida (Fig. 2). Este é o chamado mecanismo de "ponte queimada", removendo o trilho atrás, e forçando a molécula a avançar.

Além disso, pela colaboração entre o IMS e o Instituto de Tecnologia de Tóquio, SmChiA foi mostrado como uma catraca browniana de "ponte queimada", verificado por cristalografia de raios-X e simulação de dinâmica molecular das estruturas intermediárias durante o movimento de deslizamento. A descristalização de uma única cadeia de quitina é a etapa de limitação da taxa de movimento alcançada pela ligação de energia livre no local de ligação do produto, indicado por comparação das diferenças de energia livre estimadas pela análise de uma única molécula com quitina cristalina e cálculo teórico da energia de ligação com oligo-sacarídeo solúvel.

A descoberta demonstra como SmChiA controla o movimento browniano e extrai o movimento unidirecional rápido para degradação contínua da quitina cristalina sem dissociação. A estratégia desenvolvida por SmChiA pode ser aplicada não apenas para projetar quitinases e celulases para quitinas mais eficientes e degradações de celulose, mas também para projetar motores moleculares artificiais de movimento rápido, como os DNA walkers.