Brandstof laat synthetische bouwstenen zich organiseren tot vezels die weer uit elkaar vallen zodra de energie op is. Dat lieten Delftse wetenschappers zien. De vezels zijn een kunstmatige variant van het celskelet in levende cellen, dat ook brandstof gebruikt om te bewegen.
Het celskelet (geel) omringd de celkern (paars).
Mechanobiology Institute, National University of SingaporeNet zoals veel andere processen in de cel wordt de assemblage van het celskelet, waarbij losse bouwstenen spontaan aan elkaar plakken om een eiwitketen te vormen, gedreven door brandstof.
Chemici van de Technische Universiteit Delft wisten zo’n brandstofgedreven assemblageproces synthetisch na te maken. Ze maakten een netwerk van vezels die zichzelf met behulp van brandstof uit losse moleculen organiseren. Is de brandstof op? Dan vallen de vezels vanzelf weer uit elkaar, rapporteren ze deze week in Science.
Celskelet
De onderdelen in de cellen van organismen bestaan uit duizenden verschillende moleculen. Het celskelet bijvoorbeeld, bestaat uit heel veel dunne eiwitdraden (microfilamenten) en holle eiwitbuisjes (microtubuli) die samen zorgen voor stevigheid in een cel. De bouwstenen waaruit deze buisjes en draden zijn opgebouwd, organiseren zichzelf tot lange eiwitketens met behulp van brandstof. Bij gebrek aan brandstof vallen de eiwitketens uit elkaar. Dat gaat gemakkelijk omdat de bindingen tussen de bouwstenen zwak zijn. Een cel kan daardoor snel de buizen en draden van het celskelet reorganiseren, wat belangrijk is voor transport van stoffen.
In onderstaande animatie zie je hoe een microtubulus zichzelf opbouwt en weer uit elkaar valt.
Chemische energie
Energieverbruik is een essentieel kenmerk van levende cellen en hun onderdelen. Wetenschappers noemen materialen ook wel ‘levend’ als ze kunnen bewegen, zich aan kunnen passen aan de omgeving of als ze zichzelf kunnen herstellen. De Delftse chemici laten nu zien dat ze synthetische materialen kunnen veranderen in levende materialen.
Ze ontwikkelden moleculaire bouwstenen die, als ze reageren met brandstof, in water een netwerk van synthetische vezels vormen. De oplossing verandert daardoor in een hydrogel. Door te spelen met de lading van de moleculen kan je ze laten assembleren en uit elkaar laten vallen.
“De bouwstenen hebben allemaal een negatief geladen groep”, legt onderzoeksleider Jan van Esch uit. “Zolang die eraan zit, stoten de bouwstenen elkaar af en is er geen assemblage. Maar door de brandstof toe te voegen komt er een reactie op gang die de negatief geladen groep omzet in een elektrisch neutrale groep. Het gevolg: de bouwstenen zoeken elkaar op en assembleren tot vezels, die qua uiterlijk erg lijken op microtubuli. Maar omdat de neutrale groep niet stabiel is, reageert deze vanzelf terug naar de oorspronkelijke negatief geladen variant.” Zonder nieuwe brandstoftoevoer valt het vezelnetwerk dan ook uit elkaar.
Niet in evenwicht
Het is hiermee voor de eerste keer gelukt om een synthetisch assemblageproces gedreven door een chemische brandstof buiten evenwicht te brengen. Cellen verkeren altijd buiten evenwicht: ze hebben constante energietoevoer nodig om hun taken te doen. De chemici wisten dit aspect van levende materialen in te bouwen in hun kunstmatige materiaal.
“In de evenwichtstoestand zijn alle moleculen in hun negatief geladen vorm. Er gebeurt dan niks. Door brandstof toe te voegen start je een reactie op waardoor het systeem buiten evenwicht komt”, legt Van Esch uit. “Raakt die brandstof op, dat valt het systeem weer terug in evenwicht.”
Giftig
In Science insights & perspectives schreven chemici van de Technische Universiteit Eindhoven, die soortgelijk onderzoek doen, een begeleidend commentaar op het werk van de Delftenaren. “De realisatie van een door chemische brandstof aangedreven synthetische imitatie van het celskelet is een langlopende uitdaging in het vakgebied van de supramoleculaire chemie”, schrijven ze in hun reactie.
Verder wijzen ze erop dat dit soort hydrogels nog geen toepassing wacht op de korte termijn. De brandstof, een dimethylsulfaat, is namelijk nogal giftig. Maar de studie leidde tot gedetailleerd inzicht in het mechanisme van assemblage.