Chemici van de Universiteit van Amsterdam (UvA) hebben ontdekt dat kleine moleculaire machines veel sneller bewegen met een beetje ‘smeermiddel’ in hun omgeving. Tot verrassing van promovendus Matthijs Panman en zijn collega’s blijkt vooral water hiervoor bijzonder geschikt. Hun min of meer toevallige onderzoeksresultaat staat deze week in Nature Chemistry.
Matthijs Panman is bezig met de afronding van zijn proefschrift op het gebied van de nanomechanica. In een project voor de Stichting FOM bestudeerde hij de beweging van twee typen nanomachines: een moleculair wiel en een door licht aangedreven moleculaire ‘shuttle’ die hiernaast te zien is. Beide machientjes zijn ongeveer een nanometer groot (een miljardste meter) en ze bestaan allebei uit één molecuul met daarin enkele tientallen atomen.
Om het gedrag van deze moleculen tot in detail in kaart te brengen, werkt Panman bij de onderzoeksgroep Molecular Photonics met geavanceerde apparatuur, zoals kernspinresonantie (NMR) en ultrasnelle lasers voor infraroodspectroscopie. Daarmee kwam hij het opvallende effect van water op de nanomachines op het spoor.
Toevallige ontdekking
Het begon met een opmerkelijke constatering in het laboratorium. Daar loste Panman de moleculaire machines op in acetonitril, om ze met infrarood licht te kunnen bestuderen. Het oplosmiddel mag de metingen in principe niet beïnvloeden. Toch bleek het meetresultaat wel degelijk afhankelijk van de fles acetonitril die Panman toevallig uit de kast had gepakt.
“Er was nogal wat variatie in de gemeten snelheid van de motor”, legt de onderzoeker uit. “We vroegen ons natuurlijk af waar dat aan lag. Vrij snel zagen we dat het met water te maken moest hebben; dat leidden we af uit het infraroodspectrum.”
Nadere analyse bracht aan het licht dat de watergehaltes in de flessen acetonitril duidelijk van elkaar verschilden. En inderdaad bleek er een verband tussen het watergehalte en de vastgestelde moleculaire beweging.
Panman besloot het effect van water verder te onderzoeken en voegde bewust nog méér toe. Het effect was opmerkelijk: al bij een watergehalte van drie procent verdubbelde de snelheid van de nanomotoren. Niet alleen blijkt het water als een soort ‘smeermiddel’ te fungeren; het is in dat opzicht zelfs heel bijzonder. “We hebben ook andere stoffen uitgeprobeerd”, zegt Panman. “Daarmee is het effect veel kleiner. En hoe minder de toegevoegde stof op water lijkt, hoe geringer de ‘smerende’ werking”.
De term ‘smering’ heeft op de schaal van nanomotoren overigens wel een andere betekenis dan in de autoindustrie. Daar vermindert een dunne, gladde laag smeerolie de wrijving tussen bewegende delen. Op nanoschaal werkt het zo niet, want de moleculen uit smeerolie zijn ongeveer net zo groot als de complete motoren van het Amsterdamse onderzoek. Panman deed ook metingen met butanol, een stof die in de richting komt van smeerolie. Dat blijkt de moleculaire motoren niet te versnellen, maar juist te vertragen.
Verbroken bruggen
De vraag is dan natuurlijk: hoe kan water op nanoschaal zo efficiënt als ‘smeermiddel’ dienen? In het artikel in Nature Chemistry geven Panman en collega’s het antwoord aan de hand van waterstofbruggen: de relatief zwakke binding tussen waterstofatomen in het ene molecuul en zuurstof-, stikstof- of fluoratomen in naburige moleculen (of molecuulgroepen). Watermoleculen zijn de ideale kandidaat om nanomachines te versnellen omdat ze klein en beweeglijk zijn, én omdat ze makkelijk waterstofbruggen vormen.
Dat werkt zo: de bewegende delen van de moleculaire motoren zijn normaal gesproken aan elkaar verbonden via waterstofbruggen. Zo’n motor kan daarom pas draaien als de waterstofbruggen verbroken worden. Maar aangezien een gebroken waterstofbrug zich snel weer kan herstellen, staat er de hele tijd een soort rem op de beweging van de nanomachine.
In de aanwezigheid van water verandert dat. De watermoleculen kruipen tussen de afzonderlijke delen van de nanomotor en vormen er waterstofbruggen mee. Omdat de beweegbare delen dan niet meer door waterstofbruggen met elkaar verbonden zijn, vermindert water de interne ‘wrijving’ van de moleculaire machine. Het resultaat: de beweging versnelt.
Mogelijke toepassingen
Een publicatie in Nature Chemistry, daar kan een promovendus mee voor de dag komen. Matthijs Panman is daarom blij dat hij werk heeft gemaakt van het verder uitpluizen van zijn toevallige ontdekking.
Ook onderzoeksleider Sander Woutersen is in zijn nopjes met de resultaten. Afgelopen zondag benadrukte hij voor de microfoon van Labyrint radio blij te zijn met de nieuwe kennis over de interactie van de nanomotoren met hun omgeving. Dat is van belang bij het ontwerpen en optimaliseren van nieuwe nanomachines, ook al is de toepassing daarvan volgens Woutersen nog iets van de verre toekomst.
Over moleculaire computers durft hij niet te speculeren, maar over toepassing in een biologische omgeving heeft hij wel ideeën. Waterstofbruggen spelen immers een belangrijke rol in eiwitten en andere biologische moleculaire machines. “Het zou wel eens kunnen dat het water in de cellen waar de eiwitten ronddobberen ook de functie heeft van een soort smeermiddel”, aldus Woutersen.
Het interview van Sander Woutersen door Pieter van der Wielen van Labyrinth Radio (van 4’30”, tot 17’40”).
Hij vervolgt: “Het zou echt heel gaaf zijn als wij in staat zouden zijn iets te laten bewegen aan de binnenkant van een cel, door het van buitenaf met licht te triggeren. We laten onze machientjes nu in het lab eigenlijk maar een beetje in het niks draaien, in acetonitril. Als we er iets aan kunnen hangen dat ook nog een functie heeft, dan zouden we het kunnen beïnvloeden door van buitenaf met licht de beweging te sturen. Maar dat is nog vrij ver weg hoor.”