Je leest:

DNA helpt een handje bij synthese van juiste spiegelbeeldmolecuul

DNA helpt een handje bij synthese van juiste spiegelbeeldmolecuul

Auteur: | 21 september 2009

Arnold Boersma van de Rijksuniversiteit Groningen gebruikte de natuurlijke asymmetrie van het DNA-molecuul om het verloop van chemische reacties te sturen. Met een koperkatalysator gekoppeld aan DNA blijken belangrijke synthesereacties een sterke voorkeur voor één van de mogelijke ‘spiegelbeeldproducten’ aan de dag te leggen. Boersma promoveerde afgelopen vrijdag in de groep van Ben Feringa en Gerard Roelfes.

Net als linker- en rechterhanden kunnen moleculen spiegelbeelden van elkaar zijn. Ze hebben dezelfde atomen, dezelfde chemische bindingen en daarmee in veel opzichten dezelfde eigenschappen. Dat maakt het lastig te van elkaar te scheiden. Toch zijn ze anders: ze hebben een andere ruimtelijke structuur.

Aminozuren zijn één van de bekendste soort spiegelbeeldmoleculen. Ze zijn in principe in twee varianten mogelijk: links- en rechtshandig. Chemisch gezien verschillen die nauwelijks van elkaar, maar toch komt in het aardse leven alleen de linkshandige variant voor.
NASA

Omdat de chemie van de natuur een uitgesproken voorkeur voor één van de spiegelbeeldvarianten heeft, is er in de praktijk vaak een enorm verschil in activiteit. Als geneesmiddelmoleculen bijvoorbeeld de verkeerde vorm hebben, is hun effect nihil. Of, erger nog, dan ontstaan hele vervelende bijwerkingen. Veel onderzoek in de chemie is er daarom op gericht de juiste spiegelbeeldvorm te kunnen synthetiseren. Arnold Boersma onderzocht de afgelopen jaren als één van de eersten of de inzet van DNA daarbij zinvol is, en dat leverde verassende resultaten.

Asymmetrie inbouwen

In zijn proefschrift maakt Boersma aan een simpel voorbeeld het probleem van de spiegelbeeldsynthese duidelijk. Stel je een autofabriek voor die geen onderscheid tussen links of rechts kan maken. Daar rollen auto’s uit met het stuur links, maar ook met het stuur rechts. Die laatste zijn lastig te verkopen aan Nederlandse klanten. Er moet dus ergens in het assemblageproces een links/rechts voorkeur zijn, zodat alleen de juiste auto’s de fabriek verlaten. Anders gezegd: er moet asymmetrie in het proces worden ingebouwd.

Het principe van asymmetrische katalyse: Een stuur wordt op een symmetrische auto geplaatst, waarbij twee spiegelbeelden mogelijk zijn. De linkerhand zorgt er in dit geval voor dat in het assemblageproces alleen de auto geschikt voor gebruik in Engeland tot stand komt.
RUG | Arnold Boersma

In de chemische synthese van spiegelbeeldmoleculen is het niet anders. Normaal gesproken ontstaan beide spiegelbeeldvarianten in een 50/50 verhouding. En anders dan in een autofabriek is het chemisch gezien erg lastig om een links/rechts voorkeur in te bouwen. Boersma laat nu zien dat toepassen van DNA daar verandering in kan brengen.

DNA is asymmetrisch

De structuur van DNA staat langzamerhand in ieders geheugen gegrift: twee om elkaar slingerende ketens, samengebonden in de vorm van een wenteltrap. De ‘draairichting’ van de wenteltrap is daarbij steeds hetzelfde: wie van boven naar beneden zou lopen, draait altijd met de wijzers van de klok mee. Dat is óók het geval als je de helix zou omdraaien. Om een andersom draaiende trap te krijgen (het spiegelbeeld) moet je de helix eerst afbreken en opnieuw weer opbouwen. Zulk DNA komt in de natuur niet voor.

Hybride katalysatoren.

Boersma werkte aan zogenaamde hybride katalysatoren. Op moleculair niveau is een katalysator de assemblageplaats van moleculen. Op deze productielocatie wordt uit verschillende moleculaire bouwstenen een nieuwe verbinding gefabriceerd. Vaak blijken katalysatoren, metalen bijvoorbeeld, geen enkel idee van links of rechts te hebben. Maar als je ze met een ander molecuul koppelt tot een hybride katalysator, dan kan dat veranderen. In ieder geval als je er DNA voor gebruikt, dat heeft Boersma nu laten zien. Hij gebruikte natuurlijk DNA afkomstig uit een zalm.

Het principe van asymmetrische katalyse met behulp van DNA. Met een ligand, een soort koppelmolecuul, wordt een koperkatalysator aan een DNA molecuul gebonden. Deze hybride katalysator heeft nu een sterke voorkeur voor één van de spiegelbeeldproducten.
RUG | Arnold Boersma

Boersma wijdde een flink deel van zijn onderzoek aan het uitzoeken van het hoe en waarom van deze succesvolle asymmetrische synthese. Hij ontdekte daarbij ondermeer dat DNA zowel een sturend als een versnellend effect heeft op de synthese. Bijzonder was ook dat de opbouw van het DNA zeer bepalend blijkt. Boersma ontdekte dat het beste resultaat wordt geboekt wanneer een specifieke trede van de DNA wenteltrap drie keer naast elkaar voorkomt. In dat geval is meer dan 99% van de gevormde moleculen van de gewenste spiegelbeeldvorm. Bij ander DNA ligt die selectiviteit rond 80%.

Boersma onderzocht bij drie veelgebruikte synthesereacties of het mogelijk is met DNA asymmetrie over te dragen. Zowel bij de Diels-Alder reactie, de Friedel-Crafts reactie als bij de zogenaamde Michael additie bleek dat het geval. Het zijn alledrie koolstof-koolstof vormende omzettingen, die onder andere van belang zijn bij de synthese van bouwstenen voor geneesmiddelen. Bijzonder was tenslotte dat de nieuwe katalysator de Michael additie met water mogelijk maakt – iets wat eerder alleen met enzymen mogelijk was. Hieruit blijkt volgens Boersma dat DNA unieke reactiviteit met zich meebrengt. Hij verwacht dat zijn onderzoek aanleiding zal zijn tot de ontdekking van andere, nieuwe chemische omzettingen, en zal bijdragen aan een beter begrip van natuurlijke katalytische processen in de biologie.

Weergave van de meest waarschijnlijke vorm van de hybride DNA-gebaseerde katalysator. Duidelijk is te zien hoe het ligand en het koper door het DNA worden ‘omhelsd’. De synthese vind dicht bij het DNA plaats, waarbij asymmetrie aan het reactieproduct kan worden overgedragen.
RUG | Arnold Boersma

Lees meer op Kennislink:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 21 september 2009

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.