Nederlandse chemici hebben opwindende plannen. In een groot, gezamenlijk onderzoek gaan zij proberen het leven na te bouwen met moleculen. Door de bouwsels op bepaalde manier in elkaar te zetten willen ze deze bovendien uitrusten met totaal nieuwe functies. Functies die in de natuur niet voorkomen. Treedt binnen in een spannende, nieuwe chemische wereld!
Een molecuul op zichzelf heeft alleen een samenstelling en structuur die hem zijn eigenschappen geven. Een functie ontstaat doordat een molecuul omringd wordt door andere moleculen.
Bin im Garten, via CC BY-SA 3.0Het leven imiteren met chemie. Dat is de uitdaging waarmee voor scheikundigen een nieuw tijdperk is aangebroken. De aanpak? Met een bouwdoos vol losse moleculaire bouwsteentjes proberen ze ingewikkelde structuren te ontwerpen die zichzelf in elkaar zetten en die lijken op wat we in een levende cel zien.
De grote wens is om via deze synthetische weg voor het eerst materialen te ontwerpen die reageren op wat er in hun omgeving gebeurt. Net zoals weefsels en cellen dat in het menselijk lichaam ook doen. Denk maar eens aan je eigen bloed. Dat stolt vanzelf als je huid een sneetje oploopt.
De beloften zijn niet gering: materialen die zichzelf kunnen vermeerderen, herstellen of die zelfstandig kunnen bewegen. Voor ons dagelijks leven gaan zulke materialen veel betekenen. Een kleine greep uit het aanbod van eindeloze mogelijkheden: apparaatjes die kankercellen opruimen, protheses die een netvlies kunnen vervangen en katalysatoren die uit organisch materiaal benzine maken. In principe kunnen we straks elk materiaal op bestelling maken tegen verwaarloosbare kosten.
Op de agenda
Het is dus niet voor niets dat bouwen met moleculen een hot en uitdagend vakgebied is binnen de moleculaire wetenschappen. Het toonaangevende wetenschappelijke magazine Science riep het maken van ingewikkelde moleculaire structuren in 2005 al uit tot één van de grootste vraagstukken van dit moment. En ook onze eigen Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) zette onderzoek naar uit zichzelf opeenhopende moleculen in 2011 hoog op de wetenschapsagenda.
Dat onderzoek kreeg deze zomer een flinke impuls door de start van een nieuw Nederlands onderzoeksproject. Chemici van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e), de Radboud Universiteit Nijmegen en de Rijksuniversiteit Groningen gaan zich gezamenlijk tien jaar lang volledig vastbijten in het imiteren van leven met chemie. In hun onderzoek staat één vraag centraal. In hoeverre is het mogelijk op leven lijkende structuren van de grond af op te bouwen met moleculen als bouwstenen?
De kracht van zwakke krachten
Om leven te imiteren moet je weten hoe het in elkaar zit. Maar hoe werkt het leven eigenlijk? Dat weten we niet precies. De aanname is dat bij het ontstaan van leven levenloze materie zich onderling combineerde en daarna stapsgewijs evolueerde tot iets dat leefde. Hoe kan het dat in de natuur schijnbaar nutteloze moleculen als vanzelf samenklonteren, zodat het nieuw ontstane klompje moleculen een duidelijke functie heeft? De Nederlandse chemici hopen erachter te komen door het leven kunstmatig na te bouwen. Uiteindelijk niet zozeer om cellen en hun onderdelen precies te kopiëren maar om vergelijkbare levende structuren te maken met hele nieuwe functies.
Levende cellen en alle kleine machientjes die erin rondzwemmen vervullen allemaal een eigen functie. Die functie is ontstaan door de manier waarop moleculen bij elkaar zijn gekomen. Overal in de natuur knopen moleculen zichzelf spontaan aan elkaar vast door middel van zwakke krachten, de eerder genoemde niet-covalente bindingen, die er heersen tussen afzonderlijke moleculen. Deze aantrekkingskrachten, zoals waterstofbruggen en vanderwaalskracht, helpen moleculen om zichzelf spontaan te organiseren tot ingewikkelde structuren zoals dna, celmembranen en chromosomen.
Een celmembraan is een prachtig voorbeeld van hoe de natuur de zwakke krachten tussen afzonderlijke moleculen gebruikt om deze te organiseren tot een structuur met een duidelijke functie.
NIST center for neutron research via CC0Een voorbeeld. De onderdelen van een DNA-streng schuiven dankzij waterstofbruggen vanzelf in elkaar tot de beroemde dubbele helix. Maar het organisatietalent van de natuur gaat nog veel verder. Vetachtige moleculen genaamd lipiden komen dankzij de aantrekkingskrachten bijeen om celmembranen te vormen, verschillende celonderdelen trekken elkaar aan om een cel te vormen, meerdere cellen maken een weefsel en doordat alle weefsels zichzelf aan elkaar vastknopen ontstaan planten, dieren en mensen.
Afkijken bij de natuur
Dit trucje, dat voor de natuur routine is, is voor wetenschappers een gigantische uitdaging. Door zelf te gaan bouwen met moleculen hoopt het Nederlandse team structuren te maken die lijken op wat we in een levende cel zien. Zo’n moleculair bouwsel moet net als in een levende cel een rol gaan vervullen, maar niet dezelfde rol. De onderzoekers willen de bouwwerkjes van moleculen, door ze op een andere manier in elkaar te zetten, compleet nieuwe rollen meegeven die in de natuur niet voorkomen. Daarbij hebben ze een spectaculair toekomstbeeld voor ogen: totaal nieuwe materialen met heel bijzondere eigenschappen.
Een beginnetje
Dit zijn nog verre dromen. Maar de afgelopen jaren is het al wel gelukt om de spontane ordening van moleculen tot ingewikkelde architecturen op beperkte schaal na te doen. Door het samenklonteren van lipiden in water maakten onderzoekers bijvoorbeeld al microscopisch kleine bolletjes, liposomen genaamd, die lijken op een celmembraan. Die bolletjes gebruiken artsen in patiënten om medicijnen af te leveren bij tumoren.
Maar controle over hoe de moleculen bij elkaar komen hebben wetenschappers nog niet. Het gebeurt spontaan, omdat deze moleculen dankzij de zwakke krachten ertussen toevallig altijd een bolletje worden. Maar wat als we nou een vierkantje willen of een zeshoek die net wat anders doet dan het bolletje? Door de moleculen gewoon bij elkaar te gooien, misschien wat te roeren en verhitten, gaat dat nooit gebeuren. De lipiden zullen altijd een bolletje willen worden.
Moleculen aan de riem
Om moleculen te laten luisteren als je ze bij elkaar gooit, moet je dus de positie en het gedrag van de moleculen volledig kunnen beheersen. Hoe organiseren moleculen zich in mengsels met verschillende moleculen? Hoe belangrijk zijn de vorm en de symmetrie van de afzonderlijke moleculen, en hun vermogen om vormveranderingen te ondergaan? Onder welke omstandigheden, zoals temperatuur en concentratie, stapelen de moleculen zich? Het zijn slechts een paar vragen waar het team nog geen antwoord op heeft.
Controle is wat ze zoeken. Dezelfde controle waarmee het menselijk lichaam kapotte cellen repareert en ervoor zorgt dat de juiste stof op de juiste plek komt op het juiste moment.
Bouwen met moleculen lijkt op spelen met lego. Als je alle legostenen op een hoop gooit krijg je geen huis. Elke legosteen moet op de juiste plek geplaatst worden om een huisje te krijgen. Zo werkt dat ook met moleculen. Die moeten op een specifieke manier aan elkaar geknoopt worden om iets te bouwen wat op leven lijkt.
Wikimedia CommonsVertaalslag
De grootste hobbel volgens chemicus Bert Meijer van de Technische Universiteit Eindhoven, deelnemer aan het onderzoeksproject, is de onvoorspelbaarheid van een moleculair bouwwerk. “Je hebt een paar moleculen en die zetten zichzelf in elkaar tot iets. Maar we weten niet wat er vervolgens gebeurt als je een klein beetje meer van het ene molecuul neemt, of wat er gebeurt als de temperatuur of concentratie verandert. De gevolgen zijn onduidelijk”, licht hij toe. “In het computermodel is wel heel duidelijk hoe het bouwwerk eruit moet zien en hoe het zich gedraagt. Maar de vertaling van zo’n model naar een echte moleculaire structuur die precies doet wat het model voorspelt is heel moeilijk. Dat is op dit moment een mission impossible.”
Duidelijk, er is werk aan de winkel voor de Nederlandse chemici. Over deze moleculaire bouwvakkers en hun bouwwerken ga je ongetwijfeld meer horen de komende tijd.