Chemicus Annette Taylor werkt aan chemische netwerken en hun gedrag

Als je chemische reacties wilt gebruiken om een bepaalde functie uit te voeren, moet je netwerken gaan ontwerpen, zegt Annette Taylor van de universiteit van Sheffield. In een masterclass in Amsterdam leerde ze promovendi hoe ze dat kunnen aanpakken. “Je wilt met een klein signaal een groot effect bereiken.”

30 september 2016

In de chemische industrie, maar ook in laboratoria draait het vooral om het maken van stoffen. Bij de reacties die chemici gebruiken is daarom meestal sprake van eenrichtingsverkeer: van grondstoffen naar product. Hoe hoger de snelheid waarmee de reactie verloopt, hoe beter. Want dan heb je sneller meer product.

In levende organismen vinden ook doorlopend heel veel verschillende chemische reacties plaats. Maar dan is het doel niet om zoveel mogelijk product te maken. Het is minstens zo belangrijk dat het product op het juiste moment wordt gemaakt, in de juiste hoeveelheid en op de juiste plaats. Reacties moeten bijvoorbeeld op tijd stoppen, ook als de grondstoffen nog aanwezig zijn. Of de productie moet niet continu verlopen, maar op specifieke momenten.

In de natuur zien we daarom geen eenrichtingsverkeer, maar dynamische netwerken van reacties die elkaar beïnvloeden en controleren. Hier vind je zogenaamde oscillerende reacties: chemische reacties met een scherp omslagpunt waardoor ze heen-en-weer bewegen tussen verschillende producten. Of reacties die in golven verlopen, waarbij er een regelmatige toe- en afname van product is. Er is sprake van feedback loops: reacties waarbij de producten een rol spelen in de sturing van de reactiesnelheid.

De beroemdste oscillerende chemische reactie is de Belousov-Zhabotinsky-reactie. De reactanten gaan tegelijkertijd in het bekerglas of petrischaaltje, maar wat er dan gebeurt… Dit is een relatief kort filmpje; op YouTube staan nog veel andere mooie opnamen van de BZ-reactie. Credits: Tim Kench

“Chemici kijken vooral naar de reactiesnelheid als een middel dat ze kunnen gebruiken om zoveel mogelijk product te maken. Maar de chemische netwerken in levende organismen moeten een bepaalde functie vervullen. De juiste reactiesnelheid wordt dan ook een doel. Dat is wennen voor chemici”, zegt Annette Taylor, senior lecturer Chemische en Biologische Procestechnologie aan de universiteit van Sheffield (VK).

Taylors onderzoek richt zich op het ontwerpen van chemische netwerken waarin het draait om timing en snelheid van productie. Het gaat niet om productievolumes, maar om het ‘gedrag’ van zo’n netwerk. NEMO Kennislink sprak haar in Amsterdam, waar ze een masterclass over chemische netwerken gaf aan promovendi van het Research Centre for Functional Molecular Systems.

Wat zouden chemici kunnen doen als ze meer gaan kijken naar netwerken in plaats van naar individuele reacties?
“Ik denk dat we dan bijvoorbeeld nieuwe mogelijkheden kunnen aanboren om ziekten op een heel andere manier te gaan behandelen. De meeste huidige geneesmiddelen kun je vergelijken met een mokerslag. Het lichaam krijgt in een keer een enorme hoeveelheid medicijn binnen en dat is het. Dat strookt niet met de manier waarop chemische processen in ons lichaam verlopen. Die hebben een veel genuanceerder en dynamischer karakter. Bijvoorbeeld de productie van insuline door de alvleesklier. Dat is geen constante stroom, maar die vindt plaats in pulsen. Een ander voorbeeld is de hoeveelheid calcium die nodig is voor het hart. Die productie heeft een golfpatroon. Zo zijn er nog veel meer voorbeelden van processen die niet lineair verlopen, maar juist in golven, ritmes, oscillaties en pulsen.”

De gecontroleerde afgifte van medicijnen speelt hier toch al op in?
“Zeker, dat is een goede manier om te zorgen dat een medicijn op een meer geleidelijke manier wordt toegediend. Maar het zou nog mooier zijn als die afgifte kan reageren op de signalen vanuit het lichaam. Dat we feedback loops kunnen koppelen aan de afgifte zodat de hoeveelheid en snelheid past bij wat er op dat moment nodig is in het lichaam.”

Als het gaat over biologische systemen als inspiratiebron worden slimme materialen ook vaak genoemd als mogelijke toepassing. Geldt dat hier ook voor?
“Ja, de manier waarop biologische materialen snel kunnen reageren op signalen uit de omgeving is absoluut een inspiratiebron voor materialenonderzoek. Als we de natuurlijke chemische netwerken kunnen nabootsen biedt dat zeker mogelijkheden om materialen te ontwerpen die snel van karakter veranderen. Bijvoorbeeld een materiaal dat reageert op signalen van ongewenste bacteriën en zich zo verandert dat de bacteriën zich niet kunnen hechten. Of een materiaal dat je als vloeistof kunt inspuiten en dan heel snel een gel vormt.”

In uw masterclass benadrukte u het belang van autokatalyse in deze dynamische netwerken. Wat is dat precies en waarom is dat belangrijk?
“Autokatalyse is het fenomeen dat een reactie z’n eigen stimulans creëert. Het product van een reactie is tegelijkertijd de katalysator van die reactie. Je voegt dus geen aparte katalysator toe, het systeem zorgt daar zelf voor. Het interessante aan autokatalytische reacties is dat ze een heel scherpe omslag laten zien. De autokatalysator werkt niet meteen, maar moet een bepaalde concentratie bereiken. Zodra die drempelwaarde wordt gehaald, zie je een exponentiële toename van de reactiesnelheid. Dat zorgt ervoor dat je opeens een grote verandering ziet. Dat kun je gebruiken om heel snel een bepaalde respons te bewerkstelligen. Maar je kunt die respons ook weer snel en eenvoudig onderdrukken door de reactie te koppelen aan andere reacties die zorgen voor de juiste feedback. Zo kun je de gewenste respons als het ware in je systeem programmeren.”

Levenscyclus van het eencellige bodemorganisme Dictyostelium discoideum. In tijden van voedselschaarste klonteren de individuele amoeben samen tot een groter geheel om zo op zoek te gaan naar voedsel. Is dat gevonden, dan worden er sporen geproduceerd die weer uitgroeien tot nieuwe eencelligen. De oproep tot samenklonteren is de productie van een signaalstof: cAMP dat als een autokatalysator werkt en z’n eigen vorming stimuleert. — Levenscyclus van het eencellige bodemorganisme *Dictyostelium discoideum*. In tijden van voedselschaarste klonteren de individuele amoeben samen tot een groter geheel om zo op zoek te gaan naar voedsel. Is dat gevonden, dan worden er sporen geproduceerd die weer uitgroeien tot nieuwe eencelligen. De oproep tot samenklonteren is de productie van een signaalstof: cAMP dat als een autokatalysator werkt en z’n eigen vorming stimuleert.
Tijmen Stam, IIVQ (SVG conversie), origineel: Hideshi, via Wikimedia Commons GFDL + CC BY-SA3.0

De natuur is uw inspiratiebron. Kunt u een voorbeeld geven van een natuurlijk autokatalytisch systeem?
“Een heel bekend voorbeeld is een eencellig bodemorganisme, Dictyostelium discoideum. Deze eencelligen leven individueel, maar als hun voedsel opraakt gaan ze de stof cAMP produceren. Dit werkt als een alarmsignaal dat zich snel via golfpatroon door de populatie verspreidt, waardoor anderen ook cAMP gaan produceren. Alsof je een steen in een vijver gooit. cAMP is hier de autokatalysator die z’n eigen vorming stimuleert. Het alarmsignaal neemt heel snel toe en als reactie gaan de eencelligen aan elkaar plakken tot een groter geheel. Er ontstaat een nieuw organisme dat zich gaat verplaatsen op zoek naar voedsel. Zodra er weer voldoende voedsel is produceert het organisme sporen waaruit weer nieuwe eencelligen groeien. Totdat het voedsel weer opraakt en dan begint de hele cyclus opnieuw.”

Simulaties van Turing patronen – biologische patronen die ontstaan door dynamische chemische reacties. De Britse wiskundige Alan Turing ontwikkelde de theorie achter het ontstaan van deze patronen die je overal in de natuur tegenkomt. Van patronen op de huid van vissen en katachtigen tot grootschalige structuren in vegetatie. — Simulaties van Turing-patronen: biologische patronen die ontstaan door dynamische chemische reacties. De Britse wiskundige Alan Turing ontwikkelde de theorie achter het ontstaan van deze patronen die je overal in de natuur tegenkomt. Van patronen op de huid van vissen en katachtigen tot grootschalige structuren in vegetatie.
T. Bánsági Jr, A.F. Taylor (University of Sheffield), _Chaos_(2015), via A.F. Taylor (met toestemming)

En welke ideeën haalt u uit zo’n natuurlijk systeem?
“Je ziet hier dat je met een klein signaal iets in gang kunt zetten dat zich heel snel verspreidt door de omgeving, en dat een respons oproept waardoor het systeem een bepaalde functie kan uitvoeren. Dat zou je kunnen gebruiken om heel gevoelige sensoren te ontwerpen die aan een klein signaal genoeg hebben om in actie te komen, en dat signaal snel kunnen versterken waardoor er een bepaalde actie wordt opgewekt. Een heel ander idee is om zo’n golfpatroon te gebruiken om een materiaal snel te laten uitharden. Of om zaken te beveiligen. Dat zelfs de kleinste, ongewenste verstoring meteen een respons veroorzaakt. Bijvoorbeeld een kleurverandering. Je kunt van alles bedenken. De kunst is om dat gewenste gedrag in te bouwen in een set van zorgvuldige gekoppelde reacties. Daar ligt voor chemici een geweldige uitdaging.”

Reageer