Bio-constructiemateriaal uit Nijmeegs lab

Nijmeegse chemici maakten een nieuw synthetisch polymeer dat zacht en flexibel maar tegelijkertijd sterk en taai is. Daarmee lijkt het erg op de polymeren die stevigheid geven aan cellen, weefsels en organen. Het is ook nog eens supergelerend: het zou een heel Olympisch zwembad in een gelatinepudding kunnen veranderen.

7 februari 2013

Celskelet uit soepele en toch stevige eiwitketens. De Nijmeegse polymeren hebben dezelfde eigenschappen.
Nikon | MicroscopyU

Een beetje geluk moet je hebben als onderzoeker. Maar dat een toevallige ontdekking van een collega na twee jaar een prachtige publicatie in het toptijdschrift Nature zou opleveren, dat had de Nijmeegse chemicus Paul Kouwer niet durven voorspellen.

Kouwer werkt bij de groep voor Moleculaire Materialen onder leiding van hoogleraar Alan Rowan. Eén van de materialen die ze daar bestuderen is het synthetische polymeer polyisocyanopeptide, kortweg PIC.

Het bestaat net zoals alle polymeren uit lange ketenvormige moleculen, opgebouwd uit kleine, relatief eenvoudige bouwstenen. Maar PIC is bijzonder, vertelt Kouwer: de lange ketens hebben net als natuurlijke polymeren een zeer regelmatige, wenteltrap-achtige structuur.

Met zo’n duidelijke overeenkomst in structuur vroegen de onderzoekers zich af of er ook een overeenkomst was in materiaaleigenschappen. Dat bleek moeilijk te onderzoeken. “Biopolymeren bevinden zich cellen, weefsels en organen: een waterige omgeving dus”, aldus Kouwer. “Ons synthetische polymeer was in water zo goed als onoplosbaar”.

http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=q3qjHkCywAI#!

Animatie van de synthese van polyisocyanopeptide. De structuur van de moleculen heeft overeenkomsten met de wenteltrapstructuur van biopolymeren.

Mislukte list

De Nijmegenaren verzonnen een list, maar die bleek niet te werken. Ze maakten een PIC-variant als een soort moleculair borsteltje. Moleculen ethyleenglycol zijn daarbij de ‘borstelhaartjes’ die de PIC polymeerketen omringen. “Ethyleenglycol is goed met water te mengen, dus we dachten dat dit de wateroplosbaarheid sterk zou verbeteren”, zegt Kouwer. “Maar wat we ook deden, het polymeer wilde niet oplossen”.

Schematische weergave van het polyisocyanopeptide (in rood) voorzien van ‘haartjes’ van ethyleenglycol (blauw). Het idee was dat deze de oplosbaarheid van de polymeren in water zouden verbeteren.
Radboud Universiteit | Nature | AAAS

Tijd voor het toeval. Aan het eind van een lange werkdag had collega-onderzoeker Matthieu Koepf er genoeg van. Hij zou de volgende dag wel verder gaan. Maar wat te doen met zijn onwillige polymeren? In de koelkast dan maar. Een gouden greep, bleek de volgende dag. Tot verrassing van iedereen waren de polymeren door de ijzige kou helemaal in het aanwezige water opgelost.

En nog gekker: bij opwarming buiten de koelkast veranderde de oplossing langzaam in een dikke gel. “Toen wisten we dat we iets bijzonders bij de hand hadden”, blikt Kouwer terug. “Normaal gesproken moet je iets juist afkoelen om het te laten geleren. Denk maar aan een gelatinepudding. Bij onze polymeren is het net andersom.”

http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=raL2uvvAn3E
Demonstratie van het gelerend effect van het PIC polymeer. De temperatuur waarbij de gel ontstaat is in te stellen tussen 18 en 44 graden Celsius. Bepalend daarvoor is vooral de lengte van de zijketens van het molecuul. Bij lage temperatuur zijn die ‘vrij, maar bij hogere temperatuur vertonen ze onderlinge interactie. De moleculaire borsteltjes klitten dan aan elkaar en vormen een driedimensionaal netwerk. De gel is dan een feit.

De Nijmeegse chemici richten hun pijlen op het gel-fenomeen en stonden niet veel later al voor de volgende verrassing. De voor het geleren benodigde hoeveelheid polymeer bleek namelijk bijzonder laag. Met slechts een theelepel polymeer (1 gram) wordt het water in een emmer (30 liter) zo stijf dat het stevig blijft zitten als je de emmer ondersteboven houdt. Met een paar kilo zou je zelfs een compleet olympisch zwembad (2,5 miljoen liter) kunnen opstijven. Daarmee geleert het materiaal een factor honderd beter dan de supergelerende polymeren die bijvoorbeeld als vochtvanger in luiers te vinden zijn.

Met een paar kilo polymeer kun je een heel olympisch zwembad geleren.

Biomimetisch

Kouwer: “Alweer hadden we geen idee hoe dat kon, maar we waren wel erg blij met dat resultaat. Je moet weten dat de biopolymeren in weefsels en cellen ook in hele lage concentraties voorkomen. Daar moet immers voldoende ruimte zijn voor al die moleculaire machinerie voor het biologisch functioneren. Het was een sterke aanwijzing dat onze polymeren niet alleen in moleculaire structuur, maar ook in gedrag met biopolymeren overeenkomen.”

Inmiddels hebben Kouwer en collega’s twee jaar onderzoek achter de rug dat hun veronderstelling ruimschoots heeft bevestigd. In een begeleidend ‘News & Views’ artikel in Nature spreekt de Amerikaanse hoogleraar Margaret Gardel van ‘de eerste synthetische polymeren die een instelbaar, biomimetisch elastisch gedrag hebben’. Biomimetisch betekent zoveel als ‘de natuur nabootsend’. Gardel geldt als autoriteit op het gebied van het ‘materiaalkundig’ gedrag van levende cellen.

De Nijmeegse chemici hadden zelf die claim niet gemaakt, maar Kouwer spreekt Gardel niet tegen. “We zijn in de literatuur geen enkel synthetisch polymeer tegengekomen met deze ‘natuurlijke’ eigenschappen. En dan blijken die ook nog eens over een vrij breed gebied instelbaar. Dus ja, we hebben hier een heel bijzonder synthetisch polymeer te pakken.”

Pleistergel

Het Nijmeegse polymeer vormt de basis voor een soort wonderpleister. Het opbrengen is simpel: gewoon de koude oplossing op de wond aanbrengen. Door de lichaamstemperatuur ontstaat een gel die de wond steriel afsluit.

De poriën in het gelnetwerk zijn zo klein dat ze bacteriën tegenhouden. Tegelijkertijd zijn ze groot genoeg om voedingsstoffen of andere hulpstoffen door te laten. Zo is het mogelijk om een ‘actieve’ pleistergel te maken. Verwijderen is al even simpel: gewoon afkoelen met wat ijswater. De pleister verdwijnt dan als de spreekwoordelijke sneeuw voor de zon.

Nanofilters en cosmetica

Paul Kouwer is gefascineerd door de overeenkomsten van de synthetische supergel en de polymeren die de natuur als bio-constructiemateriaal gebruikt. Juist omdat de eigenschappen van de zo eenvoudig zijn aan te passen, verwacht hij dat biologische toepassingen in het verschiet liggen. Daarbij valt te denken aan wondbehandeling en kunstmatige organen, al is dat laatste iets voor de lange termijn.

Ondertussen zijn al wel experimenten uitgevoerd om de gel als kweekmedium te gebruiken, in samenwerking met het Nijmeegse spin-off bedrijf Noviotech. Ook wordt gedacht aan toepassingen als materiaal voor nanofilters en zelfs over cosmetische toepassingen.

Er valt nog heel veel te ontwikkelen, denkt Kouwer: “Onze publicatie in Nature is een designpaper, eens soort blauwdruk, waarin we hebben aangegeven wat er allemaal valt te variëren. Dat gaan we nu dus ook doen. Ik ben er van overtuigd dat we daar nog hele leuke resultaten mee gaan behalen.”

Biopolymeren: Al dente moleculaire bundels

De synthetische polymeren die we kennen van boterhamzakjes, frisdrankflessen en autobumpers zijn van zichzelf tamelijk slappe moleculaire koordjes. Ze hebben wel iets van goed doorgekookte spaghetti. (Dat ze toch harde en stevige vaste materialen kunnen opleveren heeft te maken met de manier waarop de moleculen onderling verknoopt zijn.)

Biologische polymeren daarentegen, opgebouwd uit aminozuren of nucleïnezuren, zijn veel meer ‘al dente’. Ze hebben een eigen, inherente stijfheid. Een bekend voorbeeld is DNA. De dubbele helix is steviger dan de enkelvoudige DNA-ketens. Andere voorbeelden van biopolymeren met zo’n interne moleculaire versteviging zijn de eiwitten die stevigheid geven aan cellen (actine), of – als extracellulaire matrix – aan weefsels en organen (collageen, fibronectine).

Daarnaast hebben biopolymeren nog een belangrijke eigenschap. Ze vormen ‘bundels’ van individuele moleculen, ongeveer zoals een touw bestaat uit in elkaar gedraaide vezels. “Voor biofysici is dat gesneden koek, maar we hadden daar als chemici niet zo’n aandacht voor”, zegt Paul Kouwer. “Toch blijken onze polymeren óók van die moleculaire bundels te vormen. Per bundel vind je soms wel tientallen moleculen.” De synthetische PIC moleculen (polyisocyanopeptide) vormen door de bundeling relatief lange ‘draden’. Ze draaien zich ook in elkaar tot een sponsachtig netwerk, dat zacht en flexibel is maar tegelijkertijd sterk en taai. Het past zich als het ware aan de belasting aan: hoe harder je er op drukt, hoe meer weerstand het biedt.