La capacità delle molecole ad associarsi ha permesso di formare in Natura sistemi supramolecolari molto complessi (gli enzimi) capaci di compiere le funzioni necessarie alla vita. Alcuni di questi sistemi operano mediante movimenti meccanici rotatori o lineari, tanto da poter essere considerati dei veri e propri motori o macchine di dimensioni nanometriche. Anche se l'esistenza delle nanomacchine naturali è nota da molto tempo, solo di recente si è cominciato ad analizzare e capire l'intimo e complesso meccanismo del loro funzionamento.

Una delle nanomacchine più studiate è certamente quella preposta alla sintesi dell'adenosintrifosfato (ATP), molecola che fornisce l'energia per le funzioni vitali. Questo congegno, illustrato in Fig. 1, ha dimensioni dell'ordine di 10 nm ed è costituito da un'unità C, formata da proteine ad elica che attraversano una membrana, e da una unità gamma solidale a C. Quando la concentrazione dei protoni all'interno della membrana è superiore a quella esterna, si genera un flusso di protoni che causa la rotazione di C e, di conseguenza, di gamma (Fig. 1a). Quest'ultima unità agisce come una camma meccanica che, ruotando, deforma in successione i tre siti beta nel sistema proteico che la circonda, causando, in ognuno di essi, la trasformazione di ADP in ATP (Fig. 1b).

Un altro esempio ben noto di motore naturale, che però a differenza del precedente sviluppa un movimento di tipo lineare, è rappresentato dalla miosina, termine usato per indicare numerose classi di proteine che sono alla base di tutti i movimenti muscolari volontari ed involontari. La miosina, che è costituita da due grosse "teste" collegate ad una lunga "coda", si associa con le "teste" ad un'altra proteina a forma di scala, lungo la quale si muove grazie all'energia fornita dall'ATP. In un muscolo che si contrae rapidamente, ciascuna unità di miosina si muove 5 volte al secondo, percorrendo una distanza di circa 10 nm.

Il combustibile per le macchine naturali. Come per le macchine del mondo macroscopico, così anche per le macchine molecolari è possibile ottenere il movimento meccanico solo se si fornisce energia. Per la maggior parte delle macchine del mondo macroscopico l'energia necessaria è prodotta dalla reazione fra ossigeno e sostanze ad alto contenuto energetico (combustibili) che avviene in motori detti a "combustione interna". Ovviamente, le macchine molecolari, costituzionalmente molto più fragili di quelle macroscopiche, non possono essere alimentate da un motore di questo tipo, che lavora ad alte temperature ed elevate pressioni; possono però sfruttare, analogamente alle macchine del mondo macroscopico, una reazione chimica, purché essa avvenga in condizioni blande. Questo, infatti, è proprio quanto succede nelle macchine biologiche. A parte questa differenza "tecnica", rimane il fatto che sia le macchine macroscopiche che quelle biologiche funzionano consumando un combustibile. Questo, inevitabilmente, comporta la formazione di prodotti di scarto, la cui eliminazione è condizione necessaria per preservare il buon funzionamento della macchina.
Questo problema è particolarmente critico quando una macchina molecolare deve essere progettata e costruita artificialmente.