Molekylära motorer omvandlar energi till enkelriktad mekanisk rörelse. De flesta biomolekylära motorer i celler använder adenosintrifosfat (ATP) som en kemisk energikälla. Nyligen, dock, Serratia marcescens kitinas A (SmChiA) har återupptäckts som en molekylär motor som arbetar i extracellulära miljöer utan att använda ATP. I likhet med en monorail-vagn (fig. 1), SmChiA har klyftliknande polysackaridbindningsställen och hydrolyserar processivt motsträvigt kristallint kitin, en stor biomassakälla, till en vattenlöslig disackarid chitobios. Som ett verktyg för omvandling av biomassa till användbara kemikalier, SmChiA har studerats omfattande.

Under den processiva katalysen och rörelsen på en kristallin kitinyta, SmChiA binder med en enkel kitinkedja i den katalytiska klyftan och upprepar kemiska och mekaniska steg. I det kemiska steget, glykosidbindningen spjälkas först och substratets mellanstruktur hydrolyseras. Reaktionsprodukten, chitobios, släpps sedan, och nästa kitobiosenhet dras av från kristallytan (dekristallisation) åtföljd av steget framåt. Med tanke på storleken på reaktionsprodukten chitobios (~1 nm), SmChiA förväntas röra sig med stegstorlekar på en nanometer. Därför, en enda molekyl avbildningsteknik med hög precision och hastighet krävdes för att lösa de enstaka stegen i kombination med katalys.

För att förstå funktionsmekanismen för snabb katalys och den enkelriktade rörelsen av SmChiA, Nakamura och medarbetare vid Institutet för molekylär vetenskap (IMS) analyserade elementära rörelsesteg i kombination med katalys med hjälp av högprecision och höghastighetsavbildning av en molekyl som sonderades med guldnanopartiklar. De verifierade snabb enkelriktad rörelse (~50 nm s-1) med 1 nm steg framåt och bakåt, överensstämmer med längden av reaktionsprodukten chitobios. Analys av den kinetiska isotopeffekten visade att hydrolys är mycket snabbare än dekristallisation. Det mycket större stegförhållandet framåt-till-bakåt förklaras av konkurrensen mellan katalys (86 procent) och bakåtrörelse (14 procent), vilket indikerar att rörelsen korrigeras framåt genom snabb katalys (fig. 2). Detta är den så kallade "burnt-bridge"-mekanismen, ta bort skenan bakom, och tvingar molekylen att röra sig framåt.

Vidare, genom samarbetet mellan IMS och Tokyo Institute of Technology, SmChiA visade sig vara en "bränd-bro" Brownsk spärrhake, verifierad genom röntgenkristallografi och molekylär dynamiksimulering av de mellanliggande strukturerna under glidande rörelse. Dekristallisering av en enda kitinkedja är det hastighetsbegränsande rörelsesteget som uppnås genom att binda fri energi vid produktens bindningsställe, indikeras genom jämförelse av fri energiskillnader uppskattade genom enkelmolekylanalys med kristallint kitin och teoretisk beräkning av bindningsenergin med löslig oligo-sackarid.

Fyndet visar hur SmChiA styr den Brownska rörelsen och extraherar snabb enkelriktad rörelse för kontinuerlig nedbrytning av kristallint kitin utan dissociation. Strategin som utvecklats av SmChiA kan tillämpas inte bara på att konstruera kitinaser och cellulaser för effektivare nedbrytning av kitin och cellulosa, men också att designa snabbrörliga artificiella molekylära motorer som DNA-rullatorer.