Moleculaire motoren zetten energie om in unidirectionele mechanische beweging. De meeste biomoleculaire motoren in cellen gebruiken adenosinetrifosfaat (ATP) als chemische energiebron. Onlangs, echter, Serratia marcescens chitinase A (SmChiA) is herontdekt als een moleculaire motor die in extracellulaire omgevingen werkt zonder ATP te gebruiken. Net als bij een monorailwagen (Fig. 1), SmChiA heeft gespleten-achtige polysacharide bindingsplaatsen en hydrolyseert processief recalcitrante kristallijne chitine, een belangrijke bron van biomassa, in een in water oplosbare disaccharide chitobiose. Als hulpmiddel voor de omzetting van biomassa in nuttige chemicaliën, SmChiA is uitgebreid bestudeerd.

Tijdens de processieve katalyse en beweging op een kristallijn chitine-oppervlak, SmChiA bindt met een enkele chitineketen in de katalytische spleet en herhaalt chemische en mechanische stappen. In de chemische stap, de glycosidische binding wordt eerst gesplitst en de tussenliggende structuur van het substraat wordt gehydrolyseerd. Het reactieproduct, chitobiose, wordt dan losgelaten, en de volgende chitobiose-eenheid wordt van het kristaloppervlak afgepeld (dekristallisatie) vergezeld van de voorwaartse stap. Gezien de grootte van het reactieproduct chitobiose (~ 1 nm), SmChiA zal naar verwachting bewegen met stapgroottes van één nanometer. Daarom, een beeldvormingstechniek met één molecuul met hoge precisie en snelheid was vereist om de enkele stappen in combinatie met katalyse op te lossen.

Om het werkingsmechanisme van snelle katalyse en de unidirectionele beweging van SmChiA te begrijpen, Nakamura en medewerkers van het Institute for Molecular Science (IMS) analyseerden elementaire bewegingsstappen in combinatie met katalyse met behulp van zeer nauwkeurige en snelle beeldvorming met één molecuul, gesondeerd met gouden nanodeeltjes. Ze verifieerden snelle unidirectionele beweging (~ 50 nm s-1) met stappen van 1 nm voorwaarts en achterwaarts, consistent met de lengte van het reactieproduct chitobiose. Analyse van het kinetische isotoopeffect onthulde dat hydrolyse veel sneller is dan dekristallisatie. De veel grotere voorwaartse-naar-achterwaartse stapverhouding wordt verklaard door de concurrentie tussen de katalyse (86 procent) en achterwaartse beweging (14 procent), wat aangeeft dat de beweging naar voren wordt rechtgezet door snelle katalyse (Fig. 2). Dit is het zogenaamde "burnt-bridge"-mechanisme, het spoor erachter verwijderen, en dwingt het molecuul om vooruit te gaan.

Verder, door de samenwerking tussen IMS en Tokyo Institute of Technology, SmChiA bleek een "verbrande brug" Browniaanse ratel te zijn, geverifieerd door röntgenkristallografie en moleculaire dynamische simulatie van de tussenliggende structuren tijdens glijdende beweging. Dekristallisatie van een enkele chitineketen is de snelheidsbeperkende stap van beweging die wordt bereikt door vrije energie te binden op de productbindingsplaats, aangegeven door vergelijking van vrije-energieverschillen geschat door de analyse van één molecuul met kristallijn chitine en theoretische berekening van de bindingsenergie met oplosbaar oligosacharide.

De bevinding laat zien hoe SmChiA de Brownse beweging regelt en snelle unidirectionele beweging extraheert voor continue afbraak van kristallijn chitine zonder dissociatie. De door SmChiA ontwikkelde strategie kan niet alleen worden toegepast om chitinasen en cellulasen te manipuleren voor efficiëntere afbraak van chitine en cellulose, maar ook om snel bewegende kunstmatige moleculaire motoren te ontwerpen, zoals DNA-walkers.