Les moteurs moléculaires convertissent l'énergie en mouvement mécanique unidirectionnel. La plupart des moteurs biomoléculaires des cellules utilisent l'adénosine triphosphate (ATP) comme source d'énergie chimique. Récemment, cependant, La chitinase A de Serratia marcescens (SmChiA) a été redécouverte en tant que moteur moléculaire fonctionnant dans des environnements extracellulaires sans utiliser d'ATP. Similaire à un monorail (Fig. 1), SmChiA a des sites de liaison polysaccharidiques semblables à des fentes et hydrolyse progressivement la chitine cristalline récalcitrante, une source majeure de biomasse, en un disaccharide hydrosoluble chitobiose. En tant qu'outil de conversion de la biomasse en produits chimiques utiles, SmChiA a été largement étudié.

Au cours de la catalyse processive et du mouvement sur une surface cristalline de chitine, SmChiA se lie à une seule chaîne de chitine dans la fente catalytique et répète les étapes chimiques et mécaniques. Dans l'étape chimique, la liaison glycosidique est d'abord clivée et la structure intermédiaire du substrat est hydrolysée. Le produit de réaction, chitobiose, est alors libéré, et l'unité de chitobiose suivante est décollée de la surface cristalline (décristallisation) accompagnée de l'étape vers l'avant. Compte tenu de la taille du produit de réaction chitobiose (~1 nm), SmChiA devrait évoluer avec des pas d'un nanomètre. Par conséquent, une technique d'imagerie à molécule unique avec une précision et une vitesse élevées était nécessaire pour résoudre les étapes uniques couplées à la catalyse.

Pour comprendre le mécanisme de fonctionnement de la catalyse rapide et le mouvement unidirectionnel de SmChiA, Nakamura et ses collègues de l'Institute for Molecular Science (IMS) ont analysé les étapes élémentaires du mouvement couplées à la catalyse à l'aide d'une imagerie de molécule unique de haute précision et à grande vitesse sondée avec des nanoparticules d'or. Ils ont vérifié un mouvement unidirectionnel rapide (~50 nm s-1) avec des pas en avant et en arrière de 1 nm, compatible avec la longueur du produit de réaction chitobiose. L'analyse de l'effet isotopique cinétique a révélé que l'hydrolyse est beaucoup plus rapide que la décristallisation. Le rapport de pas avant/arrière beaucoup plus important s'explique par la compétition entre la catalyse (86 %) et le mouvement vers l'arrière (14 %), indiquant que le mouvement est rectifié vers l'avant par catalyse rapide (Fig. 2). C'est le mécanisme dit du " pont brûlé ", enlever le rail derrière, et forcer la molécule à avancer.

Par ailleurs, par la collaboration entre IMS et Tokyo Institute of Technology, SmChiA s'est avéré être un cliquet brownien "à pont brûlé", vérifiée par cristallographie aux rayons X et simulation de dynamique moléculaire des structures intermédiaires lors du mouvement de glissement. La décristallisation d'une seule chaîne de chitine est l'étape limitante du mouvement obtenue en liant l'énergie libre au site de liaison du produit, indiqué par la comparaison des différences d'énergie libre estimées par l'analyse d'une molécule unique avec la chitine cristalline et le calcul théorique de l'énergie de liaison avec l'oligo-saccharide soluble.

La découverte démontre comment SmChiA contrôle le mouvement brownien et extrait un mouvement unidirectionnel rapide pour une dégradation continue de la chitine cristalline sans dissociation. La stratégie développée par SmChiA peut être appliquée non seulement pour concevoir des chitinases et des cellulases pour des dégradations plus efficaces de la chitine et de la cellulose, mais aussi pour concevoir des moteurs moléculaires artificiels rapides tels que les marcheurs à ADN.