Druppeltjes zetten elkaar op hun plek

Leven is het opgetelde effect van een heleboel kleine interacties. Kleine moleculen vormen samen grotere moleculen, die samen weer grotere structuren vormen. Zo ga je van moleculen naar eiwitten naar cellen met al hun verschillende onderdelen. En van cellen ga je weer naar weefsels en organen en uiteindelijk naar een compleet organisme.

Dat betekent een enorme schaalvergroting. Het begint op de schaal van enkele nanometers (een miljardste meter) met de reacties tussen kleine moleculen en het uiteindelijke resultaat – als we ons eigen lichaam als voorbeeld nemen – is zo’n anderhalf tot twee meter in omvang. Dat is een miljard keer groter dan de moleculen die dit allemaal in gang zetten en op gang houden. Peter Korevaar, onderzoeker op het gebied van fysische organische chemie aan de Radboud Universiteit, probeert te ontrafelen hoe dat proces in z’n werk gaat.

“Leven speelt zich af op al die niveaus, van nanometers naar meters. Dat betekent heel veel zelforganisatie, al die structuren moeten steeds weer de juiste plek innemen”, zegt Korevaar. “Je gaat van heel eenvoudige reacties op moleculair niveau naar een effect dat op een veel groter niveau zichtbaar is. En wat je daar ziet, kun je niet simpelweg voorspellen als je alleen kijkt naar de moleculaire interacties die dit effect veroorzaken.”

Draadjes

Korevaar wil grip te krijgen op deze zelforganisatie. Zo leren we levende organismen beter te begrijpen, en vinden we bovendien aanknopingspunten voor het ontwikkelen van nieuwe materialen met ‘levende’ eigenschappen. Hij probeert daarom in het lab vergelijkbare processen na te bootsen. Niet meteen van molecuul naar menselijk lichaam, maar het gaat voor Korevaar om de relatie tussen het gedrag van moleculen en de effecten daarvan op piepkleine druppeltjes van amper een millimeter in doorsnee. Deze druppeltjes zijn met het blote oog nauwelijks te zien, maar ze zijn al wel vele malen groter dan de moleculen die hun gedrag sturen. Een goede start om te onderzoeken hoe processen op heel kleine schaal doorwerken op een veel groter niveau.

In een publicatie in het tijdschrift Nature Communications laten Korevaar en zijn collega’s zien hoe verschillende van deze piepkleine druppeltjes op een wateroppervlak onderlinge verbindingen vormen. Door die verbindingen, een soort draadjes van netjes geordende moleculen die vanuit een druppel ‘groeien’, oefenen de druppeltjes kracht uit op elkaar. Dat zorgt voor een intrigerend samenspel van duwen en trekken. Er ontstaat een netwerk met een duidelijk ruimtelijk patroon. De druppeltjes beïnvloeden actief elkaars positie.

Als tranen op een wijnglas

“We hebben twee verschillende soorten druppeltjes in dit systeem: een donordruppel waaruit de draadjes groeien en een ontvangerdruppel die juist aan die draadjes trekt”, legt Korevaar uit. De donordruppel bestaat uit zogeheten amfifielen – moleculen waarvan het ene deel hydrofiel is (en graag omringd is door water) en het andere deel juist hydrofoob is (en dus geen contact wil met water). Als je zo’n druppel in water brengt, gaan alle hydrofobe delen zo dicht mogelijk bij elkaar zitten, terwijl de hydrofiele stukken juist zoveel mogelijk contact met het omringende water zoeken. Dat zorgt voor vervorming van de druppel, waardoor uitstulpingen ontstaan die langere ‘draadjes’ gaan vormen.

Op het wateroppervlak leidt dit tot een verandering van de oppervlaktespanning. Daardoor komt een proces op gang dat bekend staat als het Marangoni-effect. Dit effect is vooral bekend uit het ‘tranen’ van wijn. Als je wijn ronddraait in het glas, zakt de wijn daarna niet gewoon terug naar beneden. Uit de dunne laag wijn op het glasoppervlak verdampt relatief meer alcohol dan uit de ‘bulk’ van de wijn onderin. Er ontstaat een verschil in oppervlaktespanning tussen de dunne laag en de rest van de wijn, waardoor de wijn omhoog ‘gezogen’ wordt. Uiteindelijk levert dat weer druppels wijn die door de zwaartekracht naar beneden zakken: dat zorgt voor de tranen.

Bij de druppels van Korevaar gebeurt iets vergelijkbaars. De amfifiele moleculen, die zorgen voor de uitstulpingen en de draadjes vanuit de donordruppel, gaan zich bijzonder gedragen – de hydrofobe stukken steken de lucht in, terwijl de hydrofiele delen in het water blijven. Dit zorgt voor een verschil in oppervlaktespanning en daardoor gaat het water als het ware ‘trekken’ aan de moleculen uit de druppel. Net als bij de wijn die omhoog kruipt in het glas. Door het Marangoni-effect groeien er lange draadjes uit de donordruppel over het wateroppervlak.

Te snel

Dit zijn allemaal heel bekende fenomenen, zegt Korevaar, die al langer met dit type amfifiele moleculen ‘aan het spelen’ was, omdat het zulke mooie effecten geeft. “Maar op een gegeven moment kwam Sandra Schoenmakers, die toen haar afstudeerstage deed in mijn onderzoeksgroep, op het idee om een ander type druppel erbij te doen. Ze was benieuwd of een druppel met een aanzuigende werking op de moleculen in de draadjes van invloed is op de positie die de druppels innemen. Dat lukte, maar het ging veel te snel. De twee druppels klapten meteen op elkaar en toen gebeurde er niks meer. Dat was voor ons het startpunt om verder te onderzoeken of we de snelheid konden controleren.”

Balans

De doorbraak kwam door het idee van een andere student. Arno van der Weijden stelde voor om de samenstelling van de trekkende druppel iets aan te passen, zodat ook die druppel invloed heeft op de oppervlaktespanning van het water. Dat zorgde voor de juiste balans in snelheden. Met als resultaat niet alleen een mooi schouwspel waarin je vanuit druppeltjes een netwerk van draadjes en connecties ziet ontstaan, maar ook een onverwacht effect, zo bleek toen promovendus Mitch Winkens hier verder in dook.

Korevaar: “In eerste instantie duwt het Marangoni-effect de trekkende druppel weg, maar op een zeker moment bereiken de groeiende draadjes toch de trekkende druppel en hechten eraan. Dan bewegen de twee druppels juist weer naar elkaar toe. Dat hadden we vooraf niet verwacht. We zien echt een balans ontstaan tussen de twee tegengestelde krachten.”

Die balans zorgt voor intrigerende effecten als je meerdere druppels bij elkaar brengt. Een donordruppel die is omringd door meerdere trekkende druppels blijft zo keurig in het midden van het geheel. De krachten zorgen voor de stabiele positionering. In andere opstellingen ontstaan complete netwerken van onderling verbonden druppels. Voor Korevaar en zijn team is dit het begin van allerlei nieuwe experimenten.

“We willen nu bijvoorbeeld proberen om in de trekkende druppel chemische reacties te laten plaatsvinden. Dat in de druppel de aangetrokken moleculen in de draadjes worden omgezet in andere moleculen die weer voor nieuwe effecten zorgen. We willen ook nog meer proberen met het positioneren van de druppeltjes, welke patronen kun je vormen en hoe lang kunnen de draadjes worden?”

Tentakels

En dan de onvermijdelijke vraag: kun je deze effecten – op termijn – ook gebruiken voor een praktische toepassing? “Als het lukt om druppels of eenvoudige, synthetische cellen op deze manier met elkaar te laten communiceren, kun je denken aan een diagnostische toepassing die meer kan dan slechts een gerichte test. Je brengt dan een monster van de patiënt op het materiaal, dat voert een eerste analyse uit en afhankelijk van de uitkomst zorgt het materiaal ervoor dat de juiste, volgende analysestap wordt gezet door verbindingen naar een andere ‘cel’ te leggen.”

Korevaar ziet ook wel mogelijkheden voor materialen die informatie uit hun omgeving kunnen verwerken. “Materialen die zelf iets kunnen leren door ‘tentakels’ te laten groeien, de omgeving te verkennen en afhankelijk daarvan hun eigenschappen aanpassen. Dat is nog ver weg, maar zoiets zie ik wel voor me.”