Groningse moleculen assembleren zichzelf

Slim moleculair ontwerp leidt tot lange nanobuisjes mét dop

Groningse chemici hebben afsluitbare nanobuisjes ontwikkeld die zichzelf in elkaar zetten en afsluiten. Met een beetje zeep of licht zijn ze weer te openen, schreven de onderzoekers eerder deze maand in Nature Nanotechnology. Op termijn zijn de Groningse ‘moleculaire containers’ misschien toepasbaar voor de gerichte toediening van geneesmiddelen. Voor nu is dit sterke staaltje van moleculaire zelfassemblage vooral een belangrijke stap op weg naar complexe moleculaire systemen. Zoals cellen, of nieuwe materialen met bijzondere eigenschappen.

door

Cellmembranedrawing

Een celmembraan. En dit is nog maar de vereenvoudigde weergave… wikimedia commons

Het is een vér vooruitzicht, maar ooit hopen onderzoekers in staat te zijn om in het laboratorium cellen of cel-achtige systemen in elkaar te zetten. Net zoals de natuur dat zelf doet.

Het principe van moleculaire zelfassemblage is daarbij cruciaal. Het idee is om uitgaand van relatief simpele moleculen op een eenvoudige manier tot complexe systemen te komen, met bijzondere eigenschappen.

De ‘truc’ is om de moleculaire bouwstenen het werk te laten doen door ze zó te ontwerpen dat ze zichzelf tot grotere bouwwerken kunnen ‘organiseren’. Een eenvoudig voorbeeld zijn liposomen. Ze ontstaan vanzelf, onder andere uit moleculen die fosfolipiden heten. In levende organismen zijn die het hoofdbestanddeel van het celmembraan. Gooi wat (kunstmatige) fosfolipiden in het water en door onderlinge interactie vormen ze vanzelf lipsoombolletjes. Handig om bijvoorbeeld medicijnen te beschermen terwijl ze door de huid of door de bloedbaan worden getransporteerd.

Grote wetenschappelijke uitdaging

Zelfassemblerende moleculaire systemen zijn volgens het tijdschrift Science één van de 25 grootste wetenschappelijke uitdagingen van onze tijd. In de jubileumuitgave in 2005 (‘What don’t we know?’) beschreef het tijdschrift de stand van zaken onder de titel ‘How far can we push self-assembly’. Ook in de dit voorjaar gepubliceerde Nederlandse Wetenschapsagenda wijdde de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) een hoofdstuk aan moleculaire zelfassemblage: ‘Hoe kunnen we moleculen zichzelf laten assembleren tot nieuwe structuren?’ (PDF)

In de natuur gaat zelfassemblage nog veel verder, op vele niveaus. Moleculen assembleren zich gezamenlijk tot onderdelen van cellen, en die onderdelen assembleren zich op hun beurt weer tot complete cellen. Cellen vormen weefsels, weefsels vormen organen en organen vormen organismen.

In de kunstmatige variant van zelfassemblerende systemen hopen onderzoekers tot nieuwe materialen te komen met bijzondere optische of elektrische eigenschappen. Of – inderdaad – tot ‘synthetische cellen’.

Opmerkelijke prestatie

In het perspectief van de natuurlijke zelforganisatie zien de resultaten van de Groningse onderzoekers onder leiding van hoogleraar Ben Feringa er tamelijk nietig uit. Maar in het licht van wat chemici tot nu toe op het gebied van zelfassemblage hebben weten te bereiken is het een opmerkelijke prestatie.

De Groningers synthetiseerden een molecuul met aan de ene kant twee hydrofiele (waterminnende) ‘koppen’ en aan de andere kant twee hydrofobe (waterafstotende) ‘staarten’. In een waterige omgeving steken de moleculen hun hydrofobe staarten bij elkaar zodat alleen de hydrofiele koppen met water in contact komen.

Bilaagferinga

Links het zelforganiserende Groningse molecuul. In het midden is weergegeven hoe twee van zulke moleculen in een waterige omgeving met de hydrofobe staarten ‘in elkaar kruipen’. Rechts is de bilaag weergegeven die ontstaat als vele moleculen zich op deze manier organiseren. Klik voor een vergroting. RUG | Nature Nanotechology

Het resultaat is een bilaag, die van zichzelf al de neiging bleek te hebben zich op te rollen tot een buisje. De onderzoekers wisten die neiging nog te versterken door een fosfolipide als hulpstof toe te voegen. Het resultaat waren buisjes met een doorsnede van 28 nanometer en een lengte van maar liefst tien micrometer. De lengte was dus bijna vierhonderd keer de doorsnede, te vergelijken met een bovengemiddeld lange spaghettisliert.

Het fosfolipide bleek nog een verrassend ander effect te hebben. Het was zelf ook in staat tot zelfassemblage en wel op zó’n manier dat de nanosliert er hermetisch door werd afgesloten. Als een dop op een (hele lange en dunne) fles.

Feringananobuisje

Foto van een nanobuisje mét ‘dop’, genomen met een transmissie elektronenmicroscoop. RUG | Nature Nanotechology

In vervolgonderzoek ontdekten de chemici hoe ze met een oppervlakte-actieve stof (een zeep, eigenlijk) de afsluiting met fosfolipide ongedaan konden maken. De buisjes zelf bleven daarbij intact. Zo vonden ze dus een manier om de buisjes te ‘ontsluiten’. De Groningers gaven de bouwstenen van hun nanobuisjes ook een soort lichtgevoelige ‘schakelaar’ mee, waardoor ze bij bestraling met UV-licht uit elkaar vallen. Daarbij kunnen ze dan over de hele lengte hun eventuele inhoud vrijgeven. Dat biedt misschien mogelijkheden om de buisjes in te gaan zetten voor medicijntransport.

Bekijk de toelichting van onderzoeksleider Ben Feringa in onderstaande reportage van Omroep Groningen naar aanleiding van de publicatie in Nature Nanotechnology:

Bronnen:

Lees meer op Kennislink:

Over zelfassemblage:

Over het onderzoek uit de groep van Ben Feringa: