Je leest:

‘Goochelen is nuttig voor chemici’

‘Goochelen is nuttig voor chemici’

Chemicus David Leigh legt ingewikkelde knopen in moleculen

Auteur:

Een goochelende chemicus of een chemisch onderlegde goochelaar? David Leigh is het allebei. Voor hem is er een duidelijke relatie tussen die twee activiteiten. “Een goocheltruc herinnert wetenschappers eraan dat je geen idee hebt wat er gebeurt tussen je beginpunt en waar je eindigt.”

Leigh met nobelwinnaars
V.l.n.r. Fraser Stoddart, David Leigh, Jean-Pierre Sauvage en Ben Feringa.
Aldrik Velders, met toestemming

Een goochelact verwacht je niet tijdens een wetenschappelijke presentatie op een conferentie. Tenzij de spreker David Leigh is, goochelaar en hoogleraar chemie aan de Universiteit van Manchester. Zoals dat gaat bij magische optredens zijn enkele aanwezigen uit het publiek de klos. In dit geval niet de minsten: Leigh roept de drie winnaars van de Nobelprijs voor de Scheikunde 2016 naar voren. Lachend, maar ook lichtelijk nerveus betreden Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart en Ben Feringa de arena tijdens de Molecular Machines Nobel conference in Groningen.

Het blijkt reuze mee te vallen. Niemand wordt doormidden gezaagd of aan een grote verdwijntruc onderworpen. Leigh laat met touwen, knopen, ringen en een magic box zien hoe je catenanen en rotaxanen maakt. Twee klassen van moleculen die als schakels in een ketting respectievelijk ringen rond een gordijnroede, aan elkaar verbonden zijn. Het werk waarvoor Sauvage en Stoddart de Nobelprijs kregen. “Maar Ben Feringa weet niet hoe je zoiets moet maken”, vertelt Leigh aan het publiek. “En dat gaan we hem nu leren.” De truc slaagt, Feringa maakt een ‘rotaxaan’ dankzij de magic box en iedereen gaat opgelucht weer zitten.

Dal headshot
“Goochelen is nuttig voor wetenschappers in het algemeen en voor chemici in het bijzonder”, zegt hoogleraar David Leigh van de universiteit van Manchester.
David Leigh, met toestemming

Ook op het moleculaire niveau laat Leigh hoogstandjes zien die je doen denken aan goocheltrucs. Hij legt bijvoorbeeld knopen in moleculen en hij ontwerpt en bouwt de meest fantastische moleculaire motoren en machines. Maar hier komt geen magie aan te pas. Toch is er een relatie tussen chemie en goochelen, vertelt Leigh aan NEMO Kennislink.

Is het niet juist aan chemici om te laten zien dat het omzetten van de ene stof in de andere geen tovenarij is, maar een verklaarbaar proces?

“Nou ja, chemie heeft natuurlijk z’n wortels in de alchemie en dat werd aangezien voor hekserij. Maar je hebt gelijk, wetenschap en magie zijn tegenstrijdig. In de wetenschap willen we juist onthullen, zaken verklaren en uitleggen hoe het echt zit, terwijl goochelen vooral gaat om vermaak en om te verhullen wat er precies gaande is. Ik gebruik goocheltrucs als entertainment in mijn lezingen, maar ik denk ook dat goochelen nuttig is voor wetenschappers in het algemeen en voor chemici in het bijzonder.”

Wat hebben chemici aan goochelen?

“Bij zowel een chemische reactie als een goocheltruc heb je een beginsituatie en een eindsituatie, maar wat er daartussen precies gebeurt, weet je niet. Bij een chemische reactie weet je wat je uitgangsstof is en je weet ook wat je uiteindelijk als product hebt. Dan ga je extrapoleren hoe dat is gevormd. Welke elektronen zijn waarheen gegaan, welke groepen in het molecuul zijn verplaatst of verwijderd. Zo beredeneer je hoe je van het ene molecuul naar het andere bent gekomen.”

“Maar je ziet dat proces niet. We hebben een hele batterij aan technieken om hier informatie over te krijgen, maar we zien de reacties tussen de moleculen niet. Onze kennis over wat er in de moleculaire wereld gebeurt, is altijd een extrapolatie vanuit een beperkte hoeveelheid gegevens. Het is mogelijk dat er op moleculair niveau iets heel anders gebeurt dan je verwacht. Een goocheltruc maakt meteen duidelijk dat je geen idee hebt wat er precies aan de hand is tussen de start en het einde. Ik zie goochelen als een goede reminder voor wetenschappers dat ze niet te veel moeten extrapoleren. Het kan er heel anders aan toegaan dan je denkt.”

Extreem kleine knopen

Goochelaars werken graag met touwen en knopen die daar dan op miraculeuze wijze weer uit verdwijnen. Leigh vertaalt dit ook naar de chemie: hij staat bekend om zijn moleculaire knopen. In 2017 publiceerde zijn groep in Science een molecuul dat een achtvoudige knoop vormt. Een streng van 192 atomen die zichzelf acht keer kruist. Het leverde hem een Guinness wereldrecord op voor de meest compacte moleculaire structuur. Een vermelding die trots op zijn website prijkt, net als zijn lidmaatschap van het Internationale Knopenleggersgilde.

Filmpje van Science over de achtvoudige knoop van David Leigh

Bij een knoop denk ik aan een verstrikte structuur die je uit één stuk touw maakt. De achtvoudige moleculaire knoop is gemaakt uit verschillende kortere strengen. Die vouw je om elkaar heen en dan plak je de uiteinden aan elkaar, waardoor je een grote, ingewikkelde knoop krijgt. Is dat niet valsspelen?

“Jij denkt aan knopen zoals je die in je schoenveters legt, waarbij je twee vrije uiteinden overhoudt waarmee je de knoop gemakkelijk weer los kunt maken. Maar de wiskundige definitie van een knoop is een gesloten lus met daarin een of meerdere verstrikkingen. Zo’n knoop kun je niet losmaken, tenzij je de lus doorknipt en daarmee de hele structuur kapot maakt. Als je de twee uiteinden van je veter aan elkaar zou verbinden, hebt je een knoop volgens de wiskundige definitie.”

Zou deze knoop nog strakker kunnen? Met nog minder atomen tussen de kruispunten?

“Het zou in theorie kunnen, maar dan zet je wel heel veel spanning op de structuur. Wij hebben onlangs juist iets lossere knopen gemaakt zodat we de moleculaire eigenschappen van de verschillende knopen kunnen bestuderen. Het blijkt dat hoe strakker de knoop, hoe minder stabiel die is.”

Stabiel in welk opzicht? Je hebt geen losse uiteinden om aan te ‘trekken’.

“De strakkere knopen zijn veel makkelijker te fragmenteren en de plaatsen waarop ze breken zijn de kruispunten. Dat is ook wel te verwachten, want op die plaatsen worden de chemische bindingen in een bepaalde hoek gedwongen. Dat geeft minder bewegingsvrijheid en dat maakt het geheel minder stabiel.”

Maar wat vertelt dit ons? Waarom is de chemie van knopen relevant?

“In de biologie zijn knopen heel gewoon. Ongeveer een procent van de eiwitten bevat knopen.”

Maar dat zijn toch gewoon foutjes in de structuur, problemen met de eiwitvouwing waardoor ziekten ontstaan?

“Nee, integendeel. Die knopen horen daar, ze zijn belangrijk voor de ruimtelijke structuur van het eiwit. Knopen hebben een functie, maar we weten nog niet wat die functie is. Er zitten ook knopen in DNA, waardoor het DNA nog compacter kan worden opgeslagen in de cel.”

Permanente knopen? Hoe gaat het dan als het DNA moeten worden gekopieerd voor de celdeling?

“Die knopen zijn permanent, maar er zijn speciale enzymen die de DNA-streng doorknippen zodat de knoop er even uit kan en dan onmiddellijk de uiteinden weer met elkaar verbinden. Knopen vind je overal, zowel in de moleculaire wereld als in onze ‘grote’ wereld. Kijk maar eens naar het snoer van je koptelefoon als je die uit je tas haalt, daar zijn meestal onverwachts knopen in verschenen. Iedere streng die lang en flexibel genoeg is, gaat knopen vormen. Ook op moleculair niveau.”

Die knopen ontstaan doordat delen van die lange moleculen elkaar aantrekken en aan elkaar gaan plakken en binden?

“Ja, net zoals een hoop gekookte spaghetti ook verstrikt raakt. Of neem natuurrubber. Dat dankt tachtig procent van z’n elasticiteit aan de knopen en verstrikkingen in het netwerk van lange moleculen. Zonder die knopen heeft het netwerk geen houvast om terug te vormen na uitrekking. Knopen hebben invloed op de chemische en biologische eigenschappen van stoffen, maar om die eigenschappen te bestuderen, moet je wel moleculaire knopen kunnen maken.”

En dat is moeilijk?

“Volgens wiskundigen zijn er zes miljard verschillende knopen te bedenken. Totdat wij hieraan begonnen was er welgeteld één chemicus in geslaagd om een knoop te maken. Dat was Jean-Pierre Sauvage in 1989 en hij kreeg vorig jaar de Nobelprijs. Dat zegt wel iets.”

Waarom is het zo moeilijk?

“Net als bij breien of weven moet je op exact de juiste plek de strengen laten kruisen en dat moet je steeds herhalen. De technieken die je daarvoor nodig hebt zijn dezelfde als die Sauvage en Stoddart hebben ontwikkeld voor de catenanen en rotaxanen. Moleculen met zogeheten mechanische bindingen. Daarmee lukte het Sauvage om die eerste knoop te maken. We bouwen daarop voort, maar dat is niet eenvoudig.”

Zijn er nog nieuwe knopen op komst?

“Jazeker, we hebben een negenvoudige knoop gemaakt, de meest complexe structuur tot nu toe. En ook een zogeheten eindeloze of oneindige knoop. Die is ook heel complex en het is bovendien een bekend boeddhistisch symbool. Ik vind het wel heel mooi dat we zoiets bekends op moleculair niveau kunnen maken.”

Meer informatie:

  • Publicatie over de achtvoudige knoop: J.J. Danon, et al., Braiding a molecular knot with eight crossings, Science (2017), doi:10.1126/science.aal1619
  • Website van de Leigh group bevat mooie animaties van de knopen, moleculaire motoren en moleculaire machines die David Leigh heeft ontwikkeld.
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 04 december 2017

Discussieer mee

0

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

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE