分子馬達是天然（生物）或人工分子機器，是生物體運動的重要媒介。一般而言，電機是以一種形式消耗能量并將其轉化為運動或機械功的裝置；例如，許多基于蛋白質的分子馬達利用ATP水解釋放的化學自由能來執行機械功。在能量效率方面，這種類型的電機可以優于目前可用的人造電機。分子馬達和宏觀馬達之間的一個重要區別是分子馬達在熱浴中運行，在這種環境中，由于熱噪聲引起的波動很大。

生物學上重要的分子馬達的一些例子：

• 細胞骨架馬達
  • 肌球蛋白負責肌肉收縮、細胞內貨物運輸和產生細胞張力。
  • 驅動蛋白沿微管順行運輸將細胞內的貨物從細胞核中移開。
  • 動力蛋白產生纖毛和鞭毛的軸突跳動，并且還沿著微管將貨物運輸到細胞核，逆行運輸。
• 聚合電機
  • 肌動蛋白聚合產生力并可用于推進。使用ATP。
  • 使用GTP進行微管聚合。
  • Dynamin負責從質膜中分離網格蛋白芽。使用GTP。
• 旋轉電機：
  • FoF1-ATP合成酶蛋白質家族將ATP中的化學能轉化為跨膜或反之的質子梯度的電化學勢能。化學反應的催化和質子的運動通過復合物部分的機械旋轉相互耦合。這涉及線粒體和葉綠體中的ATP合成以及質子泵送穿過液泡膜。
  • 負責大腸桿菌和其他細菌游泳和翻滾的細菌鞭毛充當由旋轉電機驅動的剛性螺旋槳。該馬達由跨膜的質子流動驅動，可能使用與ATP合酶中的Fo馬達相似的機制。

• 核酸馬達：
  • RNA聚合酶從DNA模板轉錄RNA。
  • DNA聚合酶將單鏈DNA轉化為雙鏈DNA。
  • 解旋酶在轉錄或復制之前分離雙鏈核酸。使用ATP。
  • 拓撲異構酶減少細胞中DNA的超螺旋。使用ATP。
  • RSC和SWI/SNF復合物重塑真核細胞中的染色質。使用ATP。
  • SMC蛋白負責真核細胞中的染色體凝聚。
  • 病毒DNA包裝馬達將病毒基因組DNA作為復制周期的一部分注入衣殼，將其包裝得非常緊密。已經提出了幾種模型來解釋蛋白質如何產生驅動DNA進入衣殼所需的力。如需評論，請參閱。[1]另一種建議是，與所有其他生物馬達相比，力不是由蛋白質直接產生，而是由DNA本身產生。在這個模型中，ATP水解用于驅動蛋白質構象變化，交替使DNA脫水和再水化，循環驅動它從B-DNA到A-DNA再返回。A-DNA比B-DNA短23%，并且DNA收縮/擴張循環與蛋白質-DNA抓握/釋放循環相結合，以產生推動DNA進入衣殼的向前運動。
• 酶馬達：以下酶已被證明在其催化底物存在下擴散得更快，稱為增強擴散。它們還被證明可以在其底物的梯度中定向移動，稱為趨化性。它們的擴散和趨化機制仍有爭議。可能的機制包括溶質浮力、泳動或構象變化。
  • 過氧化氫酶
  • 脲酶
  • 醛縮酶
  • 己糖激酶
  • 磷酸葡萄糖異構酶
  • 磷酸果糖激酶
  • 葡萄糖氧化酶

最近的一項研究還表明，某些酶，例如己糖激酶和葡萄糖氧化酶，在催化過程中會聚集或分裂。這會改變它們的流體動力學尺寸，從而影響增強的擴散測量。

• 化學家已經創造了合成分子馬達，可以產生旋轉，可能產生扭矩。

有兩個主要的分子馬達家族在整個細胞中運輸細胞器。這些家族包括動力蛋白家族和驅動蛋白家族。兩者都具有非常不同的結構，以及實現在細胞周圍移動細胞器的類似目標的不同方式。這些距離雖然只有幾微米，但都是使用微管預先計劃好的。

• 驅動蛋白-這些分子馬達總是向細胞的正端移動
  • 在將ATP轉化為ADP的過程中使用ATP水解
    • 這個過程包括。..
      • 電機的腳使用ATP綁定，腳前進一步，然后ADP脫落。這會不斷重復，直到到達目的地
  • 驅動蛋白家族由多種不同的電機類型組成
    • Kinesin-1（常規）
    • Kinesin-2（異三聚體）
    • Kinesin-5（雙極）
    • 驅動蛋白13
• 動力蛋白-這些分子馬達總是向細胞的負端移動
  • 在將ATP轉化為ADP的過程中使用ATP水解
  • 與驅動蛋白不同，動力蛋白的結構不同，這要求它具有不同的運動方法。
    • 其中一種方法包括動力沖程，它允許運動蛋白沿著微管爬行到它的位置。
  • 動力蛋白的結構包括
    • 一莖含
      • 與動力蛋白結合的區域
      • 將連接到動力蛋白結合區域的中間/輕鏈
    • 先
    • 一根莖
      • 具有將與微管結合的結構域這些分子馬達傾向于走微管的路徑。這很可能是由于微管從中心體中彈出并包圍整個細胞體積的事實。這實際上創建了整個細胞的軌道系統和通向其細胞器的路徑。

因為運動事件是隨機的，所以分子運動通常用Fokker-Planck方程或MonteCarlo方法建模。這些理論模型在將分子馬達視為布朗馬達時特別有用。

在實驗生物物理學中，通過許多不同的實驗方法觀察分子馬達的活??動，其中包括：

• 熒光方法：熒光共振能量轉移（FRET）、熒光相關光譜（FCS）、全內反射熒光（TIRF）。
• 磁性鑷子也可用于分析對長DNA片段進行操作的馬達。
• 中子自旋回波光譜可用于觀察納秒時間尺度上的運動。
• 光鑷（不要在上下文中與分子鑷子混淆）非常適合研究分子馬達，因為它們的彈簧常數較低。
• 散射技術：基于暗場顯微鏡或干涉散射顯微鏡(iSCAT)的單粒子跟蹤
• 單分子電生理學可用于測量單個離子通道的動力學。

還使用了更多技術。隨著新技術和方法的發展，預計天然分子馬達的知識將有助于構建合成納米級馬達。

最近，化學家和納米技術相關人員開始探索從頭制造分子馬達的可能性。這些合成分子馬達目前受到許多限制，限制了它們在研究實驗室的使用。然而，隨著我們對納米級化學和物理學的理解增加，許多這些限制可能會被克服。通過研究Grubb催化劑體系中的催化劑擴散，向了解納米級動力學邁出了一步。其他系統，如納米汽車，雖然在技術上不是發動機，但也說明了最近對合成納米級發動機的努力。其他非反應分子也可以充當馬達。這已通過使用染料分子通過有利的疏水相互作用在聚合物溶液的梯度中定向移動來證明。最近的另一項研究表明，染料分子、硬膠體顆粒和軟膠體顆粒能夠通過排除體積效應在聚合物溶液的梯度中移動。