I motori molecolari convertono l'energia in movimento meccanico unidirezionale. La maggior parte dei motori biomolecolari nelle cellule utilizza l'adenosina trifosfato (ATP) come fonte di energia chimica. Recentemente, però, La serratia marcescens chitinase A (SmChiA) è stata riscoperta come motore molecolare funzionante in ambienti extracellulari senza l'utilizzo di ATP. Simile a un vagone monorotaia (Fig. 1), SmChiA ha siti di legame del polisaccaride simili a schisi e idrolizza in modo processivo la chitina cristallina recalcitrante, una delle principali fonti di biomassa, in un disaccaride idrosolubile chitobiosio. Come strumento di conversione della biomassa in sostanze chimiche utili, SmChiA è stato ampiamente studiato.

Durante la catalisi processiva e il movimento su una superficie cristallina di chitina, SmChiA si lega alla singola catena di chitina nella fessura catalitica e ripete i passaggi chimici e meccanici. Nella fase chimica, il legame glicosidico viene prima scisso e la struttura intermedia del substrato viene idrolizzata. Il prodotto di reazione, chitobiosio, viene poi rilasciato, e la successiva unità di chitobiosio viene staccata dalla superficie del cristallo (decristallizzazione) accompagnata dal passo in avanti. Considerando la dimensione del prodotto di reazione chitobiosio (~ 1 nm), Si prevede che SmChiA si muova con dimensioni del passo di un singolo nanometro. Perciò, era necessaria una tecnica di imaging a singola molecola con elevata precisione e velocità per risolvere i singoli passaggi accoppiati con la catalisi.

Per comprendere il meccanismo di funzionamento della catalisi veloce e il movimento unidirezionale di SmChiA, Nakamura e colleghi dell'Istituto per le scienze molecolari (IMS) hanno analizzato i passaggi elementari del movimento accoppiati alla catalisi utilizzando l'imaging a singola molecola ad alta precisione e alta velocità sondato con nanoparticelle d'oro. Hanno verificato il movimento unidirezionale veloce (~50 nm s-1) con passi avanti e indietro di 1 nm, coerente con la lunghezza del prodotto di reazione chitobiosio. L'analisi dell'effetto isotopico cinetico ha rivelato che l'idrolisi è molto più veloce della decristallizzazione. Il rapporto di passi avanti-indietro molto più grande è spiegato dalla competizione tra la catalisi (86 percento) e il movimento all'indietro (14 percento), indicando che il movimento viene rettificato in avanti mediante catalisi rapida (Fig. 2). Questo è il cosiddetto meccanismo del "ponte bruciato", rimuovendo il binario dietro, e costringendo la molecola ad andare avanti.

Per di più, dalla collaborazione tra IMS e Tokyo Institute of Technology, SmChiA ha dimostrato di essere un cricchetto browniano "a ponte bruciato", verificata mediante cristallografia a raggi X e simulazione di dinamica molecolare delle strutture intermedie durante il movimento di scorrimento. La decristallizzazione di una singola catena di chitina è la fase limitante del movimento ottenuta legando l'energia libera al sito di legame del prodotto, indicato dal confronto delle differenze di energia libera stimate dall'analisi della singola molecola con chitina cristallina e calcolo teorico dell'energia di legame con oligosaccaride solubile.

La scoperta dimostra come SmChiA controlla il moto browniano ed estrae un movimento unidirezionale veloce per la degradazione continua della chitina cristallina senza dissociazione. La strategia sviluppata da SmChiA può essere applicata non solo per ingegnerizzare chitinasi e cellulasi per degradazioni più efficienti di chitina e cellulosa, ma anche per progettare motori molecolari artificiali in rapido movimento come i camminatori del DNA.