Molekyylimoottorit ovat elävien organismien soluympäristössä olevia proteiinikokonaisuuksia, jotka monimutkaisten taittumis- ja kemiallisten prosessien avulla voivat suorittaa mekaanisia liikkeitä eri tarkoituksiin, kuten materiaalien tai sähkövarausten kuljettamiseen solun sytoplasmassa tai replikoimaan DNA: ta ja muita yhdisteitä . Molekyylimoottoriproteiinit ovat myös olennaisia lihasten supistumisille ja toiminnoille, kuten bakteerien liikkumiselle potkurikäyttöisen uintiliikkeen kautta. Useimmat luonnolliset molekyylimoottorit saavat kemiallista energiaa liikkeelle samasta perusprosessista, jota organismit käyttävät energian tuottamiseen elämän ylläpitoon – hajottamalla ja synteesittämällä yhdisteen adenosiinitrifosfaatti (ATP).
Vaikka perustason molekyylimoottorit suorittavat monia samoja toimintoja kuin sähkömekaaniset moottorit ihmisen makroskooppisessa mittakaavassa, ne toimivat paljon erilaisessa ympäristössä. Suurin osa molekyylimoottoritoiminnasta tapahtuu nestemäisessä ympäristössä, jota ohjaavat lämpövoimat ja johon suoraan vaikuttaa läheisten molekyylien satunnainen liike, joka tunnetaan nimellä Brownin liike. Tämä orgaaninen ympäristö sekä proteiinien taittumisen ja kemiallisten reaktioiden monimutkainen luonne, johon molekyylimoottori luottaa toimiakseen, on tehnyt ymmärtämisen niiden käyttäytymisestä sellaiseksi, joka on kestänyt vuosikymmeniä.
Atomi- ja molekyylitason nanoteknologiatutkimus on keskittynyt biologisten materiaalien ottamiseen ja molekyylimoottoreiden valmistamiseen, jotka muistuttavat jokapäiväiseen tekniikkaan tuttuja moottoreita. Näkyvä esimerkki tästä oli Yhdysvaltojen Massachusettsin Boston College -tutkijoiden tiimin vuonna 1999 rakentama moottori, joka koostui 78 atomista ja jonka rakentaminen kesti neljä vuotta. Moottorissa oli pyörivä kara, joka kesti useita tunteja yhden kierroksen tekemiseen, ja se oli suunniteltu pyörimään vain yhteen suuntaan. Molekyylimoottori luotti ATP -synteesiin energianlähteenä, ja sitä käytettiin tutkimusalustana ymmärtääkseen kemiallisen energian siirtymisen mekaaniseen liikkeeseen perusteet. Alankomaalaiset ja japanilaiset tiedemiehet ovat sittemmin saaneet päätökseen samankaltaisen tutkimuksen käyttämällä hiiltä valon- ja lämpöenergialla toimivien molekyylimoottoreiden tuottamiseen, ja viimeaikaiset yritykset vuodesta 2008 lähtien ovat kehittäneet menetelmän moottorin luomiseksi, joka tuottaa jatkuvan vääntömomentin.
Biologisesti molekyylimoottoreilla on monipuolinen luettelo toiminnoista ja rakenteista. Suurimpia kuljetusmoottoreita käyttävät proteiinit myosiini, kinesiini ja dyneiini, ja aktiini on tärkein proteiini, joka esiintyy lihassupistuksissa, joita nähdään lajeissa, jotka ovat erilaisia kuin levät ihmisille. Tutkimus näiden proteiinien toiminnasta on tullut niin yksityiskohtaiseksi vuodesta 2011 lähtien, että nyt tiedetään, että jokaisen ATP-molekyylin osalta, jota 50 nanometrin pituinen kinesiinimolekyyli kuluttaa, se pystyy siirtämään kemiallisia aineita 8 nanometrin etäisyydellä solu. Kinesinin tiedetään myös olevan 50% tehokas kemiallisen energian muuttamisessa mekaaniseksi energiaksi ja kykenevä tuottamaan 15 kertaa enemmän tehoa kokoonsa verrattuna kuin tavallinen bensiinimoottori.
Myosiinin tiedetään olevan pienin molekyylimoottoreista, mutta se on välttämätön lihasten supistumiselle. Ehkä merkittävin luonnollinen molekyylimoottori, joka löydettiin vuodesta 2011 lähtien, on kuitenkin se, joka edistää bakteerien liikkumista. Karvamainen ulkonema flagellum-nimisen bakteerin takana pyörii potkurin ohjaamalla liikkeellä, joka jokapäiväisten moottoreiden inhimilliselle tasolle mitattuna olisi 45 kertaa tehokkaampi kuin keskimääräinen bensiinimoottori.