Van veel organische moleculen bestaan ruimtelijke varianten die precies elkaars spiegelbeeld zijn. Net zoals onze handen lijken ze hetzelfde, maar zijn ze toch verschillend. Ze heten chiraal, afgeleid van ‘cheir’, het Griekse woord voor hand. Een bekend voorbeeld zijn de twee varianten van melkzuur: links- en rechtsdraaiend.
Vooral bij farmaceutische moleculen is deze links- of rechtshandigheid cruciaal. Vaak is de ene variant het gewenste medicijn, terwijl de andere als gif werkt. Daarom is het belangrijk de beide chirale varianten van elkaar te kunnen onderscheiden.
Onderscheid maken tussen zogenaamde spiegelbeeldmoleculen is niet makkelijk. Kleur, kookpunt, dichtheid en nog veel andere eigenschappen zijn namelijk precies hetzelfde. Er is één duidelijk onderscheidend effect en dat is de interactie met licht. Licht kan links- of rechtsdraaiend worden gemaakt – ‘circulair gepolariseerd’ heet dat. Een chiraal molecuul absorbeert de ene soort licht nét iets meer dan de andere soort. Dat verschil in absorptie kun je meten en zo is vast te stellen of een chiraal molecuul links- of rechtshandig is.
Chemici gebruiken het liefst (onzichtbaar) infrarood licht voor die structuurbepaling. Dat levert een nauwkeurige ‘vingerafdruk’ van het molecuul, die precies aangeeft hoe de chemische bindingen ten opzichte van elkaar georiënteerd zijn.
Helaas heeft infrarood licht een groot nadeel bij de studie van chirale moleculen: de absorptieverschillen tussen links- en rechtsdraaiend licht zijn enorm klein. Dat is vooral een probleem bij farmaceutische en biologische chirale moleculen, die meestal alleen in lage concentraties zijn op te lossen.
Van smurfblauw poeder tot roze vloeistof
Promovendus Sérgio Rosa Domingos heeft daar nu iets op gevonden, samen met zijn collega’s bij het Van ’t Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS) van de UvA. De procedure van de Amsterdamse chemici is niet alleen verbluffend simpel maar ook zeer effectief.
Het begint met het oplossen van een klein beetje kobaltchloride (een smurfblauw poeder) in water. De roze vloeistof die je dan krijgt (zie foto) heeft op chirale biomoleculen ongeveer dezelfde uitwerking als de bekende toverdrank op Asterix en Obelix. Je hoeft maar een klein beetje van deze vloeistof bij de biomoleculen te druppelen om een groot effect te krijgen: het verschil tussen de absorptie van links- en rechtshandig infrarood licht wordt opeens wel vijftig tot honderd keer zo groot. De structuur van de chirale moleculen is dan veel gemakkelijker te bepalen.
Kwantummechanisch effect
De truc met kobaltchloride lijkt alchemie, maar er ligt een subtiel kwantummechanisch effect aan ten grondslag. Als de kobalt-ionen zich aan de biomoleculen binden (chemici spreken over ‘complexeren’), treedt een koppeling op tussen de elektronen van het kobalt en de atoomkernen van het chirale biomolecuul.
Als de bindingen van het molecuul energie opnemen uit het infrarode licht – daarbij gaan de atoomkernen trillen – heeft dat direct invloed op de elektronenverdeling van het kobalt-ion. Het is die extra ladingsbeweging die het absorptie-verschil tussen links- en rechtshandig licht veel groter maakt, en de detectie veel gevoeliger.
Een bijkomend voordeel is dat dit versterkende effect alleen in de buurt van het kobalt-ion optreedt. Daardoor wordt het mogelijk om in grotere moleculen zoals eiwitten heel lokaal onderzoek te doen naar de chirale structuur van de actieve site.
Dat het effect wordt veroorzaakt door de elektronen van het kobalt-ion, kun je overigens makkelijk demonstreren: als je namelijk lucht door de oplossing borrelt, verliezen de kobalt-ionen een elektron (ze worden geoxideerd door zuurstof in de lucht), en is het versterkende effect meteen verdwenen.
Van ’t Hoff
De opmerkelijke vondst werd mogelijk door de samenwerking van Sérgio Rosa Domingos met wetenschappers uit verschillende disciplines: de Moleculaire Fotonica en de Homogene Katalyse.
Ze zijn allen werkzaam bij het Van ’t Hoff Institute for Molecular Sciences van de UvA, en dat is frappant. Het Amsterdamse onderzoeksinstituut draagt immers de naam van Jacobus H. van ’t Hoff: de chemicus die ontdekte dat moleculen chiraal kunnen zijn.
Van ’t Hoff (foto) was UvA hoogleraar aan het eind van de 19e eeuw en won in 1901 de allereerste Nobelprijs voor de Chemie.
Artikel
Sérgio R. Domingos, Adriana Huerta-Viga, Lambert Baij, Saeed Amirjalayer, Dorien A. E. Dunnebier, Annemarie J. C. Walters, Markus Finger, Laurence A. Nafie, Bas de Bruin, Wybren Jan Buma, and Sander Woutersen: Amplified Vibrational Circular Dichroism as a Probe of Local Biomolecular Structure, J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/ja411405s