Lijmen met 'water'

Het antwoord is: coacervaten, een speciaal soort vloeibaar materiaal. Coacervaat is een zeer stroperige vloeistof op basis van water en geladen moleculen. Deze vloeistof mengt niet met water, ook al bestaat het zelf voor vijftig tot zeventig procent uit water.

Coacervaten worden gevormd door grote, sterk elektrisch geladen moleculen. Als je een sterk positief geladen en een sterk negatief geladen molecuul bij elkaar brengt, kunnen deze met elkaar binden en een complex vormen dat weinig tot geen netto lading heeft.

Deze complexen kunnen vervolgens weer met elkaar binden en vormen zo een aparte vloeibare fase met relatief weinig water (met fase bedoelen scheikundigen de verschijningsvorm van een stof [red.]). Je krijgt dus uit een waterige oplossing met geladen moleculen twee fases: een waterige fase met weinig moleculen en een stroperige fase met veel geladen moleculen en minder water. Deze twee mixen dus absoluut niet, net zoals water en olie.

Onzichtbare organellen

De biologische cel maakt veel gebruik van coacervaten. De cel lijkt op het eerste gezicht een zeer gestructureerd bouwwerk: allerlei organellen zoals de celkern, mitochondriën, en het Golgi-apparaat, ze zwemmen allemaal in een vloeistof omhuld door het celmembraan. De vloeistof waarin ze zwemmen, het cytosol, lijkt onder de gewone lichtmicroscoop onopmerkelijk, saai bijna.

In de klassieke biologie denk men bij de term ‘organel’ aan aparte structuren met een membraan eromheen die in de cel een specifieke functie uitvoeren. Zo bevat de celkern het DNA, zorgt het Golgi-apparaat dat eiwitten op de juiste plek terecht komen, en vormen de mitochondriën de kleine energiefabrieken van de cel.

Maar nu blijken er ook organellen te bestaan in de cel die helemaal geen membraan hebben. Organellen die uit het niks lijken te ontstaan en ook weer plotseling verdwijnen.

Deze organellen bestaan uit een aparte vloeistof, die niet mixt met de rest van het cytosol. We kennen dit soort systemen goed; als je olie en water bij elkaar gooit mixen ze niet en krijg je twee aparte vloeistoffen. Maar in dit geval bestaan ze beide uit water, dus waarom mixen ze niet? Omdat het complexe coacervaten zijn. Er zitten namelijk speciale eiwitten in deze organellen, die vaak geladen zijn en erg flexibel. Deze eiwitten zijn in staat om andere moleculen te binden en zo complexe coacervaten te vormen.

Mysterieuze structuren

Een voorbeeld van dit soort ‘niet-membraangebonden organellen’ zijn de zogenaamde P-granules. Dit zijn mysterieuze, vloeibare structuren die spontaan ontstaan in een net bevruchte eicel van de worm C. elegans, een veelgebruikt model-organisme in biologisch onderzoek.

Als de eicel van C. elegans wordt bevrucht ontstaan er door de hele cel P-granules, bestaande uit eiwit en RNA. Vervolgens verplaatsen alle P-granules zich naar één kant van de cel, waarna de cel deelt. Dit heeft als gevolg dat één dochtercel alle P-granules erft en de ander niet. P-granules kunnen zo bijvoorbeeld RNA meenemen dat codeert voor specifieke eiwitten, waardoor maar één van de twee dochtercellen deze eiwitten kan maken. We hebben dus na de eerste celdeling al twee verschillende dochtercellen, die waarschijnlijk verschillende functies gaan uitvoeren in de volgroeide worm. De C. Elegans gebruikt hierbij coacervaat om bepaalde stoffen te concentreren en naar specifieke plaatsen te vervoeren.

Lijmen onder water

Naast de biologische cel maken mensen zelf ook gebruik van coacervaten, bijvoorbeeld in cosmetische producten. Zo bevatten conditioners voor je haar vaak coacervaat: het mengt niet met water en vormt een dun laagje op je haren waardoor ze heel zacht gaan aanvoelen en minder statisch worden. Maar wij mensen zijn niet de enigen die coacervaat gebruiken.

Ik noemde eerder de borstelworm. Dit beestje leeft in ondiep zout water en bouwt op de bodem een zandkasteel voor zichzelf, hij wordt in het Engels dan ook ‘sandcastle worm’ genoemd. Het dier lijmt zandkorrels aan elkaar tot een holle buis waar het zich in verstopt, zodat het bij harde stroming op zijn plaats kan blijven en rustig voedsel uit het water kan filteren.

De meeste lijmen die wij gebruiken werken niet onder water, maar de borstelworm gebruikt coacervaat om te lijmen, omdat dit toch niet mengt met het water! De worm kan geladen eiwitten uitstoten die samen een coacervaat vormen en vervolgens de zandkorrels aan elkaar plakken. Wetenschappers proberen nu zelf lijm op basis van coacervaat te maken voor medische toepassingen in natte omgevingen, om bijvoorbeeld gebroken botten in het lichaam te kunnen herstellen.