Je leest:

Moleculen in de houdgreep

Moleculen in de houdgreep

Auteur: | 14 april 2008

Complexe moleculaire systemen kunnen enorm veel verschillende ruimtelijke structuren aannemen en daardoor is het moeilijk ze te bestuderen. Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam hebben nu samen met collega’s uit de Verenigde Staten, Schotland en Italië een soort moleculaire mal ontwikkeld. Deze fixeert de moleculen in een specifieke ruimtelijke toestand, waarna ze tot in detail zijn te onderzoeken. Het staat deze week als één van de highlights beschreven in het wetenschappelijke tijdschrift Angewandte Chemie, dat onder chemici hoog aanzien geniet.

Als je tekeningen of modellen van moleculen ziet, ga je haast vanzelf denken dat moleculen starre bouwwerken zijn. Maar in het ‘echt’ zijn moleculen reuze flexibel. Rond de chemische bindingen is bijvoorbeeld rotatie mogelijk; afzonderlijke molecuulgroepen kunnen ronddraaien als propellers aan een vliegtuig. Ook het rekken en strekken van bindingen leidt tot variatie in de ruimtelijke structuur. En hoe complexer de moleculen, hoe meer structurele conformaties er mogelijk zijn. De moleculen ‘wapperen’ als het ware voortdurend van de ene conformatie in de andere.

Wie de eigenschappen van zulke moleculen wil onderzoeken, heeft een probleem. Zoals onderzoekers in de groep van professor Wybren Jan Buma (Moleculaire Fotonica) aan de Universiteit van Amsterdam, die hoge-resolutie elektron-excitatiespectroscopie bedrijven. Dat is een geavanceerde techniek waarmee ze met behulp van laserpulsen kunnen vaststellen hoe lichtenergie over een molecuul wordt verdeeld, of wat de energiebarrières zijn die het molecuul moet nemen om van de ene conformatie naar de andere te komen.

Invriezen

Om de moleculen ‘rustig’ te krijgen vriezen de Amsterdammers een monster in tot vlak boven het absolute nulpunt (ongeveer 270 graden onder nul). Alleen dan krijgen ze meetresultaten die de informatie bevatten waar ze naar op zoek zijn. Het opgenomen spectrum geldt dan als unieke ‘handtekening’ van het betreffende molecuul, waaruit de moleculaire eigenschappen zijn af te leiden.

Helaas is dat alleen zo bij relatief eenvoudige moleculen. Bij complexe moleculen zijn er zóveel conformaties mogelijk, dat ze in allerlei standen ingevroren raken. Het meetresultaat is dan een haast onontwarbare brei van signalen afkomstig van al die verschillende conformaties. Hun handtekeningen vloeien als het ware in elkaar over, en details van elk van de afzonderlijke structuren raken verloren.

Illustratie van de conformatiemogelijkheden van een flexibel diamide. Onder andere vanwege draaiing van de (fenyl) zijgroepen komt het molecuul in talloze ruimtelijke toestanden voor. Beeld: FOM

In een publicatie die deze week als highlight in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Angewandte Chemie (International Edition) verschijnt, beschrijven de Amsterdamse onderzoekers nu een oplossing voor dit probleem. Ze werkten daarbij nauw samen met collega’s van de University of California (Santa Barbara, VS), de University of Edinburgh (VK), en de Università di Bologna (Italië).

Houdgreep

De onderzoekers ontwikkelden een manier om de complexe moleculen in de houdgreep te nemen – een hele specifieke houdgreep ook nog eens, waardoor alle ingevroren moleculen vrijwel dezelfde conformatie hebben. De moleculaire judoka die dat voor elkaar krijgt heet rotaxaan.

Voorbeeld van een rotaxaan. Illustratie: Wikipedia

Rotaxanen zijn moleculaire systemen die zijn op te vatten als een staafje waar een vrij bewegende ring omheen is geschoven. Ze staan de laatste jaren flink in de belangstelling als bouwstenen voor nanomachientjes en moleculaire schakelaars. De Amsterdamse onderzoekers doen al geruime tijd samen met de Schotse en Italiaanse onderzoekers onderzoek aan rotaxanen. De groepen maken deel uit van het SynNanoMotors consortium dat onlangs de Descartes prijs won, de hoogste prijs van de EU voor Europees wetenschappelijk onderzoek.

In de toepassing die nu werd ontwikkeld neemt het te onderzoeken beweeglijke molecuul de plaats in van het staafje in het rotaxaan systeem. De ring eromheen fungeert daarbij als ‘mal’ die de bewegingsmogelijkheden van het molecuul sterk reduceert. Als de temperatuur dan snel verlaagd wordt, raakt het molecuul ingevroren in de conformatie die wordt opgelegd door de rotaxaan-ring. De hierbij toegepaste techniek heet supersone expansie. De onderzoekers zijn vervolgens in staat om met een laserpuls de ring weg te schieten, waarna de moleculen klaar liggen voor het spectroscopisch onderzoek.

Weergave van het te onderzoeken diamide-molecuul (in het linkerbeeld weergegeven in blauw; rechts in geel) ingeklemd in een ringvormige mal. Door de interactie tussen mal en molecuul wordt die laatste in één specifieke conformatie gedwongen. Beeld: FOM

Eenvoudig aan te passen

De onderzoekers hebben de nieuwe methode succesvol toegepast bij een complex flexibel diamide. Ze stellen dat veel méér complexe moleculen op deze wijze geschikt zijn te maken voor spectroscopisch onderzoek. Omdat de vorm van de ringen eenvoudig is aan te passen, is het mogelijk om een breed arsenaal aan mallen te maken. Daarnaast zijn er aan de University of Edinburgh synthetische methodes ontwikkeld waarmee nagenoeg elk min of meer ‘staafvormig’ molecuul van zo’n mal is te voorzien. Het is daarbij zelfs mogelijk ervoor te zorgen dat te bestuderen moleculen een vorm aannemen die ze onder normale omstandigheden nooit zouden hebben. De onderzoekers verwachten dan ook dat de nieuw ontwikkelde techniek in de toekomst een grote rol zal spelen in het ontrafelen en beheersen van structuur en gedrag van complexe moleculaire systemen.

Moleculaire mal aan het werk Een artistieke impressie geeft aan hoe een moleculaire mal een molecuul in een bepaalde vorm duwt, waarna een laserpuls de mal verwijdert. Nu ligt de structuur waarin de onderzoekers geïnteresseerd zijn open voor verder onderzoek. Illustratie: FOM-instituut Rijnhuizen. Klik op het plaatje voor een grote versie.

Het onderzoek is uitgevoerd met steun van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk onderzoek NWO en de Europese Unie (Hy3M). Onderzoeker dr. Anouk Rijs, eerste auteur van het artikel in Angewandte Chemie, voerde een deel van het werk uit aan de University of California at Santa Barbara. Ze is nu werkzaam bij het FOM-instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein.

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 14 april 2008

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.