3.2. Il problema energetico

Abbiamo appena visto che non è possibile ottenere movimenti molecolari ordinati sfruttando il moto Browniano di un mezzo a temperatura costante. Le macchine molecolari, come quelle macroscopiche, hanno dunque bisogno di essere alimentate da una fonte esterna di energia.
Per la maggior parte delle macchine del mondo macroscopico l’energia necessaria è ottenuta da reazioni fra ossigeno e sostanze ad alto contenuto energetico (combustibili) fatte avvenire in motori a combustione interna (detti anche motori a scoppio).

Abbiamo detto che processi di questo tipo – che fra l’altro avvengono ad alte temperature ed elevate pressioni – non possono essere usati per alimentare le macchine molecolari. Anch’esse, tuttavia, possono sfruttare reazioni chimiche che avvengono a temperatura costante ed in condizioni blande. Nel celebre discorso del 1959, Feynman notò: «Un motore a combustione interna di dimensioni molecolari è impossibile. Possono però essere utilizzate reazioni chimiche che liberano energia ‘a freddo’» (Feynman 1960)¹. Ciò è proprio quanto succede nelle nanomacchine biologiche, dove le reazioni che liberano l’energia necessaria al loro funzionamento (tipicamente, l’idrolisi dell’ATP) avvengono a temperatura e pressione ambiente e procedono attraverso molti stadi successivi, in ciascuno dei quali è messa in gioco una piccola quantità di energia. A parte queste differenze, rimane il fatto che sia le macchine macroscopiche che quelle nanometriche funzionano consumando un combustibile. Questo, inevitabilmente, comporta la formazione di prodotti di scarto, la cui eliminazione è condizione necessaria per preservare il buon funzionamento della macchina. Come abbiamo visto (Fig. 13), la Natura ha risolto mirabilmente questo problema riciclando, attraverso il metabolismo e l’azione dell’ATP sintasi, ADP e fosfato nella produzione di nuova ATP (Goodsell 2009)².

Fig. 13. Illustrazione schematica dell’enzima ATP sintasi che presiede alla sintesi dell’adenosintrifosfato (ATP) a partire da adenosindifosfato, ADP, e fosfato inorganico (P_i). Questo enzima, di dimensioni intorno a 10 nm, è costituito da due motori molecolari rotanti, F_O e F₁, accoppiati fra loro (a). Nel funzionamento normale dell’enzima, una diversa concentrazione di ioni idrogeno ai due lati della membrana cellulare provoca un flusso degli stessi ioni attraverso l’unità C. Tale flusso mette in moto di rotazione l’unità C come se fosse un mulino. La camma γ, solidale con C, preme in successione sulle unità catalitiche α e β di F₁, provocando la formazione dell’ATP a partire dagli ingredienti ADP e fosfato. La vista da sopra dell’enzima (b) evidenzia come la camma γ, ruotando, deforma in sequenza i tre siti in cui avviene la sintesi dell’ATP.

Le ricerche condotte sulle macchine molecolari artificiali hanno mostrato che è possibile far funzionare questi sistemi non solo mediante energia chimica, ma anche – e spesso in modo più conveniente – mediante energia elettrica o luminosa (Ballardini 2001)³. Queste due forme di energia sono particolarmente interessanti in quanto permettono, a sistemi opportunamente progettati, di operare senza la formazione di prodotti di scarto. Inoltre sia l’energia elettrica che quella luminosa possono essere somministrate alle molecole in modo estremamente controllato e con una risoluzione nel tempo e nello spazio molto più elevata rispetto ai combustibili chimici. Un ulteriore vantaggio di queste forme di energia è che le tecniche usate per trasferirle alle macchine molecolari consentono anche di studiarne il funzionamento.

Nel descrivere le macchine molecolari artificiali faremo uso di formule di struttura semplificate per indicare i composti chimici coinvolti e di schemi per illustrare i tipi di movimenti meccanici eseguiti dalla macchina.