Je leest:

Moleculaire wokkels uit de supermagneet

Moleculaire wokkels uit de supermagneet

Subtiel krachtenspel stuurt moleculaire stapeling

Auteur: | 14 februari 2012

Om de stapeling van moleculen te beïnvloeden is het soms al genoeg om het kolfje waarin ze zich bevinden te laten draaien. Zolang er maar een kracht is die de moleculaire clusters op de juiste manier met de zwaartekracht uitlijnt. Dat blijkt uit een artikel van Nijmeegse en Italiaanse wetenschappers dat sinds zondagavond op de website van Nature Chemistry te lezen is. Het onderzoek leidt mogelijk tot een nieuwe manier voor de productie van medicijnen. En misschien biedt het een verklaring voor de ‘draaiingsvoorkeur’ van de aminozuren die het fundament vormen voor het aardse leven.

Ze houden zich met moleculen bezig, maar toch vind je de Nijmeegse onderzoekers niet in het universitaire chemielaboratorium. Ze werken even verderop, in het ‘magnetenlab’ HFML. In kolossale installaties staan daar de sterkste magneten ter wereld. Ze vreten elektriciteit in hoeveelheden die het verbruik van een flinke stadswijk evenaren. Dankzij dat magneetgeweld kon het artikel voor Nature Chemistry geschreven worden.

Zwaartekracht opheffen

Onderzoeker Peter Christianen legt uit dat de sterke magneten het mogelijk maken om de zwaartekracht te kunnen ‘manipuleren’. De onderzoekers wilden daarmee invloed uitoefenen op de manier waarop bepaalde moleculaire bouwstenen zichzelf tot een soort wokkelstructuren stapelen. Soms hebben die wokkels de draaiing linksom, soms rechtsom. De vraag was of de zwaartekracht daarbij op één of andere manier van invloed zou zijn.

Het onderzoek had wel wat van de truc met de zwevende kikker, waarmee de onderzoekers jaren geleden wereldwijd het nieuws haalden. De kikker liet zien dat de sterke Nijmeegse magneetvelden zelfs bij niet-magnetische materialen een levitatiekracht opwekken die de zwaartekracht kan opheffen. Of versterken, dat kan ook. Deze keer pasten de onderzoekers die truc toe op de stapelende moleculen.

Het onderzoek legde meteen de link naar eerdere studies rond moleculaire stapeling. Het was anderen namelijk al eens gelukt de links/rechts willekeur enigszins te doorbreken door het potje met de stapelende moleculen te roteren. Een draaiing de ene kant op gaf wat meer ‘linkse’ wokkels, de andere kant op draaien leverde een overdaad aan ‘rechtse’ wokkels.

Moleculaire stoeptegels

In de Nijmeegse magneetexperimenten werden relatief platte porfyrinemoleculen (kleurstofmoleculen) gebruikt, die met een beetje fantasie als een soort moleculaire stoeptegels zijn te beschouwen. Stoeptegels die niet netjes recht op elkaar zijn te stapelen, maar alleen scheef, na een kleine slag naar links of rechts. En ook nog eens zo dat als de tweede tegel eenmaal linksom ligt, de volgende tegels ook zo gelegd moeten worden. Met als resultaat de supramoleculaire wokkelstructuren.

In een serie experimenten brachten de Nijmeegse onderzoekers de relatie in kaart tussen de draaiing van de wokkels, de zwaartekracht en de rotatie van het experimenteerpotje. Met als opmerkelijk resultaat dat het niet uitmaakt hoe sterk de resulterende kracht is (zwaartekracht plus of min levitatiekracht). Alleen de richting doet ertoe. “Hetzelfde geldt voor de rotatie van het potje”, aldus Peter Christianen. “Het omdraaien van één van die twee variabelen, kracht of draaiing, resulteert in omgekeerde wokkels.”

Niet-chirale porfyrines (weergegeven met groene blokjes) kunnen schroefvormige chirale structuren vormen (rechts). De draaiing (rode pijlen) en zwaartekracht (geregeld door magnetische levitatie, groene pijlen) bepalen of links- of rechtshandige schroefvormen ontstaan.
Radboud Universiteit | FOM

Uit de resultaten was af te leiden dat zwaartekracht alléén voldoende zou moeten zijn om – in combinatie met de draaiing van het potje – de wokkelvoorkeur te introduceren. Verrassend genoeg bleek na het uitschakelen van de magneet alleen nog een mengsel van linkse en rechtse wokkels te ontstaan. “Blijkbaar heeft het magneetveld dus nog een andere belangrijke functie”, zegt Christianen. “We denken dat het er voor zorgt dat de groeiende wokkels netjes rechtop blijven staan, parallel aan de rotatie-as en de zwaartekracht.”

Links of rechts – een wereld van verschil

Een wokkel uit de supermarkt smaakt altijd hetzelfde, of hij nu linksom of rechtsom gedraaid is. Maar in de moleculaire wereld kan er een groot verschil zijn tussen links en rechtsgedraaide moleculen. Het beruchte medicijn Thalidomide (Softenon) had in de ene variant de gewenste eigenschap tegen zwangerschapsmisselijkheid; de andere veroorzaakte mismaakte baby’s.

novactabio.com

‘Chiraliteit’ noemen chemici deze eigenschap dat stoffen met dezelfde macroscopische eigenschappen toch van elkaar kunnen verschillen omdat hun moleculen spiegelbeeldvarianten van elkaar zijn. Zoals een rechterhand en een linker. En zoals een linkerhand niet in een rechterhandschoen past, zo kan het zijn dat een linksdraaiend molecuul in het lichaam iets heel anders doet dan zijn rechtsdraaiende spiegelbeeld. Helaas ontstaan bij de productie van zulke stoffen vaak zowel de links- als de rechtsdraaiende versie. En beide varianten zijn nauwelijks van elkaar te scheiden. Chemici zijn daarom op zoek naar methoden om uitsluitend de éne of de andere variant te vervaardigen.

Medicijnen

Volgens de onderzoeker zou het onderzoek best de weg kunnen wijzen naar nieuwe manieren om moleculen met een bepaalde ‘draaiingsvoorkeur’ te maken. Dat is van groot belang bij de productie van bepaalde medicijnen (zie kader hierboven). Wel moet daarvoor eerst blijken dat behalve het stapelen ook de synthese van moleculen te beïnvloeden is. En het is ook weinig praktisch als er superkrachtige magneten nodig zijn om de reagerende moleculen netjes uit te lijnen met zwaartekracht en rotatie-as. Maar daar valt volgens Christianen vast wel een mouw aan te passen. Misschien dat gemakkelijker op te wekken elektrische velden dezelfde functie kunnen vervullen, speculeert hij.

Het Nijmeegse High Field Magnet Laboratory is uniek in zijn soort. Nergens ter wereld kunnen zo lang achter elkaar zulke hoge magneetvelden opgewekt worden. Het HFML is een gezamenlijk lab van de Radboud Universiteit en de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie. De Europese Unie is mede-financier; vandaar dat er veel samenwerkingsprojecten zijn met internationale onderzoeksgroepen. Het hier beschreven onderzoek werd uitgevoerd in samenwerking met Italiaanse onderzoekers van het CNR-IPCF Instituut in Messina en van de universiteit aldaar. De Italianen zijn experts op het gebied van de moleculaire (zelf)assemblage van de gebruikte porfyrinemoleculen.
Radboud Universiteit

Oersoep

Het duikt altijd weer op bij onderzoeken zoals deze: hoe komt het toch dat de aminozuren die de bouwstenen zijn van het aardse leven vrijwel allemaal op dezelfde manier zijn ‘gedraaid’. Wat is er in de oersoep gebeurd dat daarvoor heeft gezorgd? Uit het Nijmeegse onderzoek zou je kunnen veronderstellen dat er allerlei wervelende draaikolken zijn geweest die de natuurlijke chiraliteit heeft veroorzaakt. Maar aan zulke speculatie wagen de onderzoekers zich niet. Ze besluiten hun wetenschappelijke artikel met de opmerking dat het een open vraag zal blijven of hun observaties enige relatie hebben met het ontstaan van leven.

Bron

Selection of supramolecular chirality by application of rotational and magnetic forces N. Micali, H. Engelkamp, P. G. van Rhee, P. C. M. Christianen, L. Monsu-Scolaro and J. C. Maan Nature Chemistry online edition 12 february 2012 doi:10.1038/nchem.1264

Meer op Kennislink over onderzoek in het Nijmeegse magnetenlab

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/hfml/index.atom?", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}

Meer op Kennislink over supramoleculaire chemie

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/supramoleculaire-chemie/index.atom?", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 14 februari 2012

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.