Je leest:

Moleculaire architectuur

Moleculaire architectuur

Auteur: | 7 februari 2002

Organisch chemicus Bert Meijer, hoogleraar aan de Technische Universiteit Eindhoven, is één van de grondleggers van de macro-organische chemie. Daarbij staan relatief grote moleculaire structuren centraal, in het gebied tussen de gewone organische chemie en de polymeerchemie. Meijer ontving in 2001 een Spinozapremie, de grootste Nederlandse onderscheiding in de Nederlandse wetenschap. Bij die gelegenheid hield hij een voordracht over de rol van de ‘moleculair architect’ bij het verklaren van de wereld om ons heen, maar ook bij het bouwen van de moleculaire toekomst.

Smoorlijk verliefd worden op een schijnbaar ongrijpbare schoonheid, u herkent het waarschijnlijk allemaal, waarde toehoorders. Zodra u denkt het binnen bereik te hebben, verslapt de aandacht en wordt de geest gevangen door een nieuwe, nog uitdagender liefde. Met dit intieme verlangen is de essentie van het creatieve leven van een exploratief, experimenteel ingesteld chemicus gegeven.

Op deze wijze opende ik 12 maart 1993 mijn inaugurele rede ter gelegenheid van mijn benoeming tot hoogleraar Organische Chemie in Eindhoven. Ik kon mij toen niet realiseren dat deze verliefdheid op het ontwerpen en synthetiseren van moleculaire bouwwerken met geprogrammeerde functies tot de Spinoza-premie in 2001 zou leiden.

Ons werkgebied heeft de laatste jaren een enorme vlucht genomen, enerzijds door de explosieve groei van de technologische mogelijkheden in het maken en karakteriseren van steeds complexere moleculen en anderzijds door de prachtige uitdagingen die de moleculaire wereld ons geeft. Daar waar vroeger werd gesproken van elektronica en biologie, wordt nu gewerkt aan de welhaast onwaarschijnlijke mogelijkheden van de moleculaire elektronica en de moleculaire biologie.

De wereld ‘vermoleculariseert’…

De wereld vermoleculariseert en de rol van de moleculair architect wordt met de dag belangrijker. Het ultieme doel is om alles vanuit een moleculair concept te verklaren en vanuit een moleculaire visie, stap voor stap en van klein naar groot, op te bouwen. Het lijkt een droom, maar mijn vertrouwen in deze moleculaire toekomst is gebaseerd op de passie te proberen het onmogelijke mogelijk te maken.

Synthese van moleculen

Een moleculair architect ontwerpt en bouwt moleculen uitgaande van simpele bouwstenen verkregen uit de natuur of via de petrochemie. Met koolstof, waterstof, zuurstof en stikstof als de belangrijkste atomen uit het periodiek systeem hebben organisch chemici sinds 1828 vele miljoenen nieuwe moleculen in het laboratorium gesynthetiseerd en gekarakteriseerd.

Friedrich Wöhler.
Wikimedia Commons

Het jaar 1828 wordt beschouwd als de start van de organische chemie, omdat in dat jaar Friedrich Wöhler per toeval vond dat ureum ontstond bij de verhitting van ammoniumcyanaat. Hierdoor realiseerde men zich dat moleculen uit de levende natuur op dezelfde wijze beschreven en gemaakt konden worden als mineralen en metalen. Het opzienbarende inzicht ontstond dat atomen en moleculen vrij kunnen bewegen tussen de levende en dode wereld. Voor werelden blijken dezelfde natuurwetenschappelijke theorieën te gelden.

Met de jaren zijn de gesynthetiseerde moleculen in complexiteit en functionaliteit toegenomen en kunnen we ons niet voorstellen te leven zonder het werk van de moleculair architect. Medicijnen, plastics, persoonlijke verzorging, gewasbescherming, kleding, voeding en elektronica, zijn allemaal gemaakt van of met moleculen die eerst in laboratoria en later in fabrieken zijn gesynthetiseerd. De grenzen van het mogelijke worden elke dag verlegd en bijvoorbeeld steeds beter functionerende medicijnen en materialen worden geïntroduceerd, terwijl menig nieuw probleem steeds sneller met een nieuw molecuul wordt geattaqueerd.

…geen verschil tussen de levende natuur en de syntheticus in de witte laboratoriumjas…

Eigenlijk zijn we zover dat op het niveau van het maken van moleculen er geen verschil meer is tussen het werk van de levende natuur en dat van de syntheticus in de witte laboratoriumjas. Ook de inzichten in de eigenschappen van geïsoleerde moleculen groeien naar een ongekende hoogte.

Maar zelfs als we alle verschillende moleculen van één levende cel in een laboratorium zouden maken, hebben we nog lang geen artificiële cel en zonder cel is er geen leven. Het grote verschil tussen de levende en dode wereld is gelegen in de uitermate complexe samenhang van al deze verschillende moleculen. Gebaseerd op specifieke onderlinge interacties en hoe deze interacties veranderen door stimuli van buitenaf, zodat de moleculen een functie uitvoeren.

Moleculaire ‘literatuur’

Wetenschappers zijn pas kort met deze materie bezig en beetje bij beetje ontstaat een beeld welke moleculaire parameters een rol spelen in deze wisselwerkingen en functies. Zo worden bijvoorbeeld de moleculaire motoren actief bij onze bewegingen in kaart gebracht, krijgen we een steeds beter beeld van hoe specifieke moleculen door celwanden heen worden getransporteerd en niet te vergeten krijgen we inzicht in de totale moleculaire informatie van het menselijk DNA.

…we weten niet hoe we van de losse onderdelen een geheel kunnen maken…

Het zal echter nog heel lang duren voordat zelfs maar de kleinste functionele objecten, opgebouwd uit verschillende grote moleculen – ieder met een eigen voorkeursconformatie – in een laboratorium zijn nagebouwd. We weten niet, of slechts zeer beperkt, hoe we uit de losse onderdelen een geheel kunnen maken.

Om de moeilijkheidsgraad van onze droom iets te verduidelijken is het wellicht illustratief om ons vakgebied te vergelijken met de literatuur. Dan zijn onze atomen de letters; met deze letters maken we woorden en dat zijn onze moleculen. Na woorden komen zinnen, na zinnen komen alinea’s, deze worden in complexiteit gevolgd door hoofdstukken, dan boeken en tenslotte hebben we alles wat geschreven is. Als we het laatste gelijk stellen aan het leven, dan is een boek te vergelijken met een cel. Hoewel we bijna alle losse woorden uit een boek kunnen maken, zijn we chemisch gezien net in staat om een paar zeer korte zinnen te maken met een zeer beperkte set van simpele woorden.

Supramoleculaire chemie

Het vakgebied dat zich bezighoudt met het ontwerp en de synthese van moleculaire architecturen gebaseerd op de reversibele wisselwerking tussen moleculen, heet de supramoleculaire chemie. Zonder overdrijving kan ik zeggen dat Nederland op dit gebied een internationaal leidende positie inneemt met een groot aantal voortreffelijke researchgroepen op diverse universiteiten. Zonder meer uniek is de combinatie van stereochemie en supramoleculaire chemie. In de vorming van de eerder genoemde ‘zinnen’, hoe bescheiden de aanzet ook is, hebben wij Nederlanders het grootste woord.

Macro-organische chemie

Onze eigen groep heeft zich de laatste jaren gespecialiseerd in de bestudering van verzamelingen van grote synthetische moleculen: het gebied van de supramoleculaire polymeerchemie. Polymeren, beter bekend als plastics of kunststoffen, zijn lange ketenmoleculen waarbij vele honderden tot duizenden repeterende eenheden – de zogenoemde monomeren – aan elkaar zijn gekoppeld door een polymerisatiereactie.

Daar waar de precisie van de organische chemie en de coöperativiteit van de polymeerchemie elkaar ontmoeten en het beste van beide gebieden wordt gecombineerd, zijn we aanbeland bij het vakgebied van de macro-organische chemie. Om iets concreter te worden zal ik kort drie deelonderwerpen presenteren waaraan momenteel in onze groep wordt gewerkt. Uiteraard licht ik slechts een tipje van de sluier op. Toch hoop ik iets van mijn fascinatie voor grote moleculen en hun onderlinge interacties met u te kunnen delen.

Dendrimeren

Zo’n twintig jaar geleden zijn de eerste dendrimeren gemaakt. Het is een nieuwe klasse van macromoleculen met een kenmerkende, sterk vertakte en boomachtige structuur (figuur 1). De bijzondere architectuur geeft veel mogelijkheden, zeker nadat wij, gedurende mijn verblijf bij DSM Research, een technologisch aantrekkelijke route voor de synthese hebben kunnen uitwerken.

Figuur 1 Een driedimensionale computergegenereerde voorstelling van een dendrimeerdoosje (links), waarin vier gastmoleculen mechanisch zijn opgesloten (rechts). In werkelijkheid is de diameter van dit moleculaire complex slechts vijf nanometer.
NWO

Vele kilogrammen zijn gemaakt en gebruikt voor studie, niet alleen door ons maar ook door vele collegae over de gehele wereld. Onvoorziene eigenschappen zijn gevonden en met een diameter van circa 5 nanometer zijn dendrimeren van de hogere generaties vooral geschikt als nanocontainers voor gastmoleculen. Een discreet aantal gasten kan worden geplaatst in de holtes van het dendrimeer, terwijl de dichtgepakte schil zorgt voor de verankering.

Nu ook is aangetoond dat dendrimeren een zeer snelle celwandpassage vertonen, liggen mogelijkheden in het gebied van de polymere therapeutica in het verschiet. Momenteel verrichten we onderzoek naar supramoleculaire modificaties van dendrimeren, waarbij verschillende functies tegelijk aan het macromolecuul worden toegevoegd, zodat de objecten gaan lijken op synthetische vaccins.

Supramoleculaire polymeren

Zoals eerder gezegd, ontlenen polymeren hun eigenschappen aan het macromoleculaire karakter van lange ketens van covalent gebonden atomen. Met de vooruitgang in de supramoleculaire chemie leek het ons mogelijk om polymeren te maken waarbij de repeterende elementen, de zogenaamde monomeren, niet door covalente bindingen, maar door viervoudige waterstofbindingen aan elkaar geregen zouden zijn. Dit type binding is reversibel. Onder bepaalde omstandigheden laten de bindingen weer los.

Figuur 2 Polymere materialen (schets, rechtsonder) gemaakt van eenheden die met viervoudige waterstofbruggen aan elkaar verbonden zijn. Linksboven: een kristalstructuur van de zelfcomplementaire eenheid van twee moleculen.
NWO

Begonnen als een wetenschappelijke curiositeit zijn onze supramoleculaire polymeren inmiddels uitgegroeid tot een technologisch relevant onderwerp en tal van bedrijven zijn op zoek naar toepassingen. Vooral het reversibele karakter van de binding geeft de polymeren het gemak van de verwerking van kleine moleculen (bij hogere temperatuur, of in een oplossing). Bij kamertemperatuur is de levensduur van de binding lang genoeg zodat het materiaal de eigenschappen heeft van zeer lange ketens.

Inmiddels blijken deze polymeren ook uitermate geschikt om bestaande theorieën in de polymeerfysica experimenteel te verifiëren. Dit komt doordat ze voornamelijk in thermodynamisch evenwicht zijn. Recent hebben we nieuwe interacties toegevoegd aan deze nieuwe klasse van supramoleculaire polymeren, waarbij de nadruk is komen te liggen op het vouwen van de supramoleculaire polymeerketens in diverse oplosmiddelen, met name in water. De precisie waarmee het reversibele systeem het thermodynamisch evenwicht vindt en de controle over de verkregen structuur, verrast ons nog elke dag.

Elektronica met moleculen

Het derde onderwerp wordt gevormd door organische en polymere materialen met bijzondere elektronische eigenschappen. Sinds 1977 is het duidelijk dat geleidende en halfgeleidende materialen gemaakt kunnen worden van moleculen die veel gedelocaliseerde π-elektronen bezitten. Hiermee zijn recent onder andere plastic lampjes en plastic elektronica gemaakt.

Om elektronen door een materiaal te laten lopen, moeten de elektronen niet alleen snel over een enkele polymeerketen bewegen, maar ook van keten naar keten kunnen springen. Diepgaande studies in ons laboratorium hebben de noodzaak van een perfecte supramoleculaire oriëntatie van de ketens ten opzichte van elkaar aangetoond. Dit heeft onder andere geleid tot de eerste lichtbron die intrinsiek circulair gepolariseerd licht uitzendt in een elektroluminescent device. Momenteel zijn we op zoek naar de ideale architectuur voor materialen met fotogeïnduceerde elektrontransfer en naar structuren die ons de mogelijkheid bieden elektronica te maken op een schaal van 10 tot 100 nanometer: supramoleculaire elektronica.

Figuur 3 π-Geconjugeerde polymeren zijn de actieve elementen voor een variëteit aan nieuwe elektronische apparaten. Het belang van de mesoscopische ordening van de polymeerketens ten opzichte van elkaar speelt een essentiële rol in het functioneren van deze devices.
NWO

Wat willen we bereiken?

Met de geschetste toenemende complexiteit van de systemen die ontworpen en gesynthetiseerd kunnen worden, nemen ook de keuzemogelijkheden toe. Daarin hebben onderwerpen die maatschappelijk relevante toepassingen beloven mijn sterke voorkeur. Duurzame energie en een bijdrage aan de gezondheid van de mens zijn twee onderwerpen die mij sterk trekken en het uiterste vragen van een moleculair architect.

Uiteraard moeten binnen het onderzoek ook mogelijkheden zijn voor jonge studenten om te participeren. Teamwerk is van het grootste belang. De doelstellingen zijn niet meer door één groep, laat staan door één persoon te realiseren.

…op de drempel van een doorbraak…

Ik verwacht dat we op de drempel staan van een doorbraak in de vorming van grote dynamische systemen. Systemen die hun vorm, hun onderlinge samenhang en daarmee hun functies kunnen aanpassen aan de omgeving. We hebben de kennis en de moleculen om samen met anderen de stap te zetten.

Er is echter nog een probleem: zeer kleine veranderingen in de moleculaire structuur kunnen grote macroscopische effecten hebben. Denk bijvoorbeeld aan de grote effecten die de mutatie van één aminozuur in een eiwit teweegbrengt, waardoor de vorm en de functie van het eiwit volledig kunnen veranderen. Veranderingen die we met de huidige inzichten wel achteraf kunnen verklaren, maar die nog niet vooraf zijn te voorspellen.

Om dat laatste te bereiken is eigenlijk een paradigmaverschuiving in ons denken over grote nanoscopische objecten noodzakelijk. Het zou fantastisch zijn als wij met onze complexe synthetische systemen een bijdrage kunnen leveren aan het initiëren van deze overgang. Het is een verandering in denken, die het uiterste vraagt van onze verbeeldingskracht en intuïtie.

Spinoza, intuïtie en jong talent

De filosoof Baruch de Spinoza, die leefde van 1632-1677, zag intuïtie als de hoogste vorm van het verkrijgen van kennis, uiteraard naast de kennis verkregen op basis van ervaring en verstandelijke argumenten.

In de scheikunde is het belang van de intuïtie groot. De onmiddellijke, niet op begripsdenken en redenering berustende overtuiging van een waarheid, heeft bijvoorbeeld de Nederlander Jacobus Henricus van ‘t Hoff precies honderd jaar geleden de eerste Nobelprijs in de Scheikunde gebracht. Geheel tegen de gevestigde orde in kwam hij met originele fysische verklaringen voor veel tot die tijd onbegrepen experimenten.

Tevens introduceerde Van ’t Hoff op de zeer jonge leeftijd van 21 jaar het idee dat atomen in moleculen in een driedimensionale wijze zijn gerangschikt, in plaats van in het platte vlak. Hierdoor werd het plotsklaps duidelijk dat er linksdraaiend en rechtsdraaiend melkzuur kan bestaan. Deze opzienbarende ontdekking leidde tot het vakgebied van de stereochemie, een werkterrein waar Nederland vanaf die datum een vooraanstaande rol heeft ingenomen.

Het is slechts weinigen gegeven om intuïtie en feitenkennis op ideale wijze te combineren; te vaak wordt de eerste door de laatste geremd. Om het belang van een specifiek werkveld te kunnen overzien is een gedegen feitenkennis onontbeerlijk, maar voor een originele inval komt de intuïtie van pas. Het is daarom een voorrecht om elke dag te kunnen werken met jonge talentvolle studenten; universiteiten met een goede mix van jong en oud zijn de beste plaats voor baanbrekend wetenschappelijke onderzoek.

Jonge studenten of junior onderzoekers moeten dan wel op zeer vroege leeftijd op zelfstandige wijze onderzoek kunnen doen. Ik wil daarom met de Spinoza-premie eerst in Eindhoven en later ook in Nijmegen betaalde researchbanen van 8-10 uur per week creëren voor jongerejaarsstudenten. De onderwerpen zullen uiteraard sterk gerelateerd zijn aan het werk van onze groep, waardoor een gedegen inbedding gegarandeerd is. Studenten met een uitgesproken voorkeur voor onderzoek kunnen bij ons terecht en wij zullen proberen om de intuïtie van deze jonge onderzoekers tot bloei te laten komen.

Professor Bert Meijer hield zijn voordracht tijdens de uitreiking van de Spinozapremie 2001, op op 7 februari 2002 in de Nieuwe Kerk in Den Haag. De hier gepubliceerde versie is licht geredigeerd.

De Spinozapremie is de grootste Nederlandse onderscheiding in de Nederlandse wetenschap. De prijs wordt toegekend voor voortreffelijk, baanbrekend en inspirerend wetenschappelijk werk. Elke winnaar krijgt anderhalf miljoen euro, vrij te besteden aan onderzoek.

Dit artikel is een publicatie van Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).
© Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 07 februari 2002

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.