SYNTHETISCH ENZYM OMHULT EN VERANDERT POLYMEER

Enzymen die in planten en dieren reacties op DNA katalyseren, hebben vaak de vorm van een doughnut. Het in verhouding ellenlange DNA-macromolecuul schuift dan door de middenopening van het enzym. De reactie die het enzym katalyseert vindt plaats in de holte.

Organisch chemici van de Universiteit van Nijmegen hebben zo'n omhullend enzym met organische moleculen nagebouwd. Het synthetische enzym is een compact moleculair bouwwerkje geworden, veel kleiner dan de biologische enzymen die uit gevouwen eiwitketens zijn opgebouwd. Het Nijmeegse molecuul is het eerste nanomachientje dat een polymeerketen kan bewerken. Het oxideert een polybutadieenketen. Dat is een polymeer van louter koolstofatomen waarin na iedere drie enkelvoudige koolstof-koolstofbindingen één dubbele binding voorkomt. Op de plaats van de dubbele koolstof-koolstofbinding zet het enzym een zuurstofatoom in een brug aan twee koolstofatomen. Zo'n aan twee koolstofatomen gebonden zuurstof heet een epoxyde.

Dit soort synthetische enzymen kunnen in de toekomst een belangrijke rol gaan spelen in de nanotechnologie, waarin op een schaal van een miljoenste millimeter (nanometer) machientjes, robotjes en elektronische schakelingen aan het werk zijn. Nanotechnologie werkt bijvoorbeeld op een schaal die duizend keer kleiner is dan de tegenwoordige PC-chiptechnologie die nog op micronschaal (een duizendste millimeter) werkt.

De katalyserende kern van het nieuwe enzym bestaat uit een porfyrinering, een uit de biochemie bekende ring van 20 koolstofatomen en 4 stikstofatomen waarin in dit geval het metaal mangaan is gebonden. Bij mensen zit er ijzer in en dan is het een heemgroep die, gebonden in het eiwit hemoglobine, het zuurstof- en koolstofdioxydetransport in het bloed verzorgt. Aan vier hoeken van de platte porfyrinering zijn benzeenringen gebonden. Daaraan zit een een V-vormig molecuul met koolstofringen, stikstof- en zuurstofatomen (glycoluril).

Het porfyrine met mangaan was al bekend als een goede katalysator van epoxydevormende reacties. Het porfyrinemolecuul is plat en katalyseert aan beide zijden. Om de katalyse tot de binnenkant te beperken hebben de onderzoekers een reactieblokkerend organisch molecuul (t-butylpyridine) gezocht dat aan de buitenzijde van het porfyrinemolecuul is gebonden. De onderdelen zijn geselecteerd op de gewenste eigenschappen. Zodra dit molecuul een polybutadieenketen binnen zijn holte krijgt begint de epoxydevorming.

Het is nu nog niet duidelijk of het moleculaire ringenzym de te bewerken polymeerketen stap voor stap iedere bouwsteen aanpakt en modificeert, of dat het enzym at random heen en weer hopt en hier en daar een reactie uitvoert. Als dat at random proces maar lang genoeg wordt volgehouden (wat op de tijdschaal van moleculaire bewegingen en reactiesnelheden eerder seconden- dan minutenwerk is), dan is het resultaat hetzelfde: een keten waarin op alle plaatsen waar dat mogelijk is de reactie is uitgevoerd.

Als de nano-chemici erin slagen om ook synthetische enzymen voor andere reacties te maken, kunnen deze stoffen een belangrijke rol gaan spelen bij de productie van nieuwe polymeren. De mogelijkheid ontstaat om na een polymerisatiereactie een pasgevormd polymeer onder milde reactieomstandigheden nog een nabewerking te geven. Daardoor kunnen er bijvoorbeeld groepen aan worden gekoppeld die van tevoren niet aanwezig mogen zijn, omdat ze de polymerisatie verstoren.