Moleculaire vezels die zichzelf continue vanuit kleine bouwblokken in elkaar zetten om vervolgens weer uit elkaar te vallen, zijn moeilijk in beeld te brengen. Eindhovense wetenschappers ontwikkelden een nieuwe microscooptechniek waarmee ze het gedrag van de wriemelende slierten eindelijk kunnen bestuderen. Die kennis vergroot de mogelijkheden voor het ontwerpen van ‘slimme’ materialen voor in de elektronica en geneeskunde.
Een cel barst van de zelforganiserende vezels. Hier een microtubulus waar een motoreiwit over heen ‘loopt’.
Wikimedia Commons/MoezZe hebben de aandacht van zowel biologen als chemici: zelforganiserende vezels waarvan de losse moleculen vanzelf in elkaar schuiven om een streng te maken. Een unieke eigenschap van zulke zelforganiserende structuren is dat ze zich voortdurend opbouwen en weer afbreken. Vandaar dat zulke vezels de naam ‘levende’ materialen kregen.
Omdat de bouwblokken zo klein en dynamisch zijn, was het lastig het gedrag van de slierten te doorgronden. Maar met de gebundelde krachten van chemie, theoretische modellen en een super-resolutie microscoop, lukte het onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven om het gedrag van synthetische vezels in beeld te brengen. Organisch chemicus Bert Meijer, die onlangs de prestigieuze Prijs Akademiehoogleraren won, leidde het onderzoek. Deze week staan de bevindingen in het vooraanstaande wetenschapstijdschrift Science.
Open vraag
Voor de natuur is zelforganisatie een koud kunstje. In cellen komen de juiste onderdelen als vanzelf bijeen om bijvoorbeeld een celmembraan te maken. Zelforganiserende vezels zijn een cel ook niet onbekend. Eén van de bekendste is het wegennetwerk van eiwitbuisjes, de microtubulen, waarover motoreiwitten lading vervoeren. Die wegen worden constant afgebroken en weer verlengd.
Wetenschappers proberen uit te pluizen op welke manier biologische en synthetische vezels zichzelf organiseren, meestal met behulp van theoretische computermodellen. “De uitwisseling van bouwblokken tussen vezels is een open vraag in de scheikunde die we willen oplossen”, zegt scheikundige Lorenzo Albertazzi die betrokken was bij het onderzoek.
De aanname was dat synthetische vezels, die beter bekend staan als polymeren, groeien en krimpen doordat ze aan de uiteinden nieuwe bouwblokken krijgen of verliezen. Maar het was erg lastig om experimenteel vast te stellen dat het proces werkelijk op die manier verloopt.
Een animatie van de vezels met hun groen en rood fluorescente bouwblokken.
Animation studio ICMS, TU/eSupermicroscoop
De nieuwe methode van de Eindhovense onderzoekers om vezels duidelijk zichtbaar te maken is gebaseerd op super-resolutie microscopie: een revolutionaire techniek geïntroduceerd in de vroege jaren 2000 om structuren van slechts tien nanometer in beeld te brengen. Tot nu werd de methode alleen gebruikt om biologische structuren in cellen mee te bestuderen.
Maar de techniek werkt ook op synthetische vezels. Albertazzi en zijn collega’s gebruikten de microscooptechniek om de theorieën over zelforganisatie, afkomstig van computermodellen, te bevestigen.
Sjoelstenen
Ze deden de moleculen die als bouwblokken dienen voor de vezels in twee reageerbuisjes. Aan de ene reageerbuis voegden ze wat moleculen toe voorzien van een rode fluorescente kleurstof. In de andere reageerbuis gingen moleculen met een groene kleurstof. In beide buisjes stapelden de moleculen zich als sjoelstenen op elkaar tot een lange sliert, met hier en daar een ingebouwd molecuul met kleurstof. Resultaat? Vezels die groen en rood oplichten.
In de laatste stap goten ze de groene en rode vezels bij elkaar. Na 24 uur wachten bekeken ze het resultaat onder hun supermicroscoop: wat eerst rode of groene vezels was niet meer te zien. Door een egale mengeling van rood en groen leken alle strengen wat gelig.
Met zelforganiserende vezels kunnen chemici ‘slimme materialen’ maken, zoals deze zelfhelende polymeer.
Anne LukemanNieuwe kijk
Om nauwkeurige conclusies te trekken over het gedrag van de vezels op basis van de microscoopbeelden, schreven de onderzoekers hun eigen computerprogramma. “Het doel was om de beelden niet alleen te bekijken als foto’s, maar er ook berekeningen aan te doen”, zegt Albertazzi’s collega Daan van der Zwaag. Uit de analyse bleek dat de vezels bouwblokken uitwisselen over de hele lengte van de streng. En dus niet alleen aan de uiteinden, zoals het team eerst dacht. “Voorheen was er geen manier om dit te meten”, zegt Albertazzi. De resultaten geven een hele nieuwe kijk op de manier van zelforganisatie.”
Die kennis is belangrijk voor de toepassing van polymeren. Want de manier waarop de vezels zichzelf opbouwen en afbreken is bepalend voor de eigenschappen van het materiaal. Albertazzi: “Momenteel zijn er al synthetische vezels op de markt waarvan we niet weten hoe ze zich op moleculaire schaal gedragen. Als we in detail het gedrag kunnen vaststellen kunnen we betere versies van het materiaal maken.”
Het team testte de methode op één soort synthetische vezel. Maar met de algemeen toepasbare techniek kunnen onderzoekers ook andere synthetische en biologische vezels bestuderen. “Biologen kunnen onze aanpak gebruiken om een dieper inzicht te krijgen in de zelforganisatie van microtubulen en andere biologische polymeren.”