Zweepstaarten en propellers

Een bloedcel met een kunststaart en een moleculaire propeller tonen aan dat nanotechnologen steeds beter leren om machientjes te ontwerpen die werken onder de vreemde fysische omstandigheden die regeren op een schaal van miljardste meters.

ER ZIJN twee belangrijke verschillen tussen de macrowereld van mensen en gebouwen en de nanowereld van moleculen en atomen. Dat stelt Richard Jones, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Sheffield, in het toegankelijke boek Soft Machines (2004, Oxford University Press). Het eerste verschil is dat in de nanowereld alles voortdurend in beweging is. De moleculen in een glas stilstaand water staan niet werkelijk stil, ze schieten voortdurend heen en weer en botsen tegen elkaar op. Hoe hoger de temperatuur, des te harder de klappen. Botanicus Richard Brown nam dit fenomeen in 1828 voor het eerst indirect waar toen hij constateerde dat stuifmeelkorrels onder zijn microscoop schoksgewijs een `dronkemanswandeling' (random walk) uitvoerden. Albert Einstein leverde in 1905 de verklaring: een bombardement van individuele moleculen geeft de stuifmeelkorrels zetjes: soms komen er toevallig meer moleculen van links, even later van rechts. Het effect staat bekend als brownse beweging.

Het andere verschil met de macrowereld is dat dingen op de schaal van nanometers aan elkaar plakken. Jones illustreert dit met het voorbeeld van een zwemmer. Bij voortbeweging op macroschaal heeft die vooral te maken met massa en traagheid: om vooruit te komen moet hij water wegduwen. Op moleculaire schaal gedraagt water zich anders, meer als een stroperige massa (ook al trillen de watermoleculen tegelijkertijd snel op en neer) Dat is een reden waarom bacteriën geen minuscule armpjes gebruiken; ze beginnen niets met een borstcrawl. In plaats daarvan bewegen ze zich voort als een draaiende schroefdraad of met golfbewegingen van hun zweepstaart.

Dat nanotechnologen steeds beter leren om mechanismen te ontwerpen in de merkwaardige wereld van moleculen en atomen blijkt uit recente publicaties in Nature en Science. Remi Dreyfus en zijn collega's van de Ecole Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles in Parijs berichtten afgelopen donderdag dat zij een rode bloedcel hebben voorzien van een kunstmatige staart die ze met een magnetisch veld op en neer kunnen bewegen (Nature, 6 oktober). Volgens de onderzoekers kronkelt het microscopische zwemmertje met zijn staart op een manier die doet denken aan een spermacel. Daardoor kan de rode bloedcel zich voortbewegen met een snelheid van 0,006 millimeter per seconde. Anders dan een spermacel beweegt de microscopische zwemmer zich met zijn staart naar voren. In een toelichting per e-mail laat Dreyfus weten dat andersom zwemmen door de constructiewijze onmogelijk zal blijven.

Het mechanisme dat Dreyfus heeft gemaakt bestaat uit een reeks balletjes met een diameter van één micrometer, aan elkaar geknoopt met stukjes DNA ter lengte van iets meer dan 100 nanometer (0,1 micrometer). De balletjesstaart (zie afbeelding) laat zich buigen en draaien door een extern magnetisch veld.

De moleculaire motor waarover Ben Feringa en zijn collega's van de Rijks Universiteit Groningen gisteren berichtten is met een diameter van één nanometer nog veel kleiner (Science, 7 oktober). Feringa heeft een soort moleculair tourniquet gemaakt dat bestaat uit een propeller die rotaties kan maken van 360 graden ten opzichte van een onderliggend balkje. Zes jaar geleden al publiceerde Feringa in Nature over een moleculaire motor die door licht wordt aangedreven. ``Het bijzondere is dat we nu hebben aangetoond dat we een moleculaire motor ook uitsluitend op grond van chemische reacties kunnen laten draaien'', zegt Feringa in een telefonische toelichting vanuit Japan.

Net als aan de achteruitzwemmende bloedcel valt er aan het ontwerp van Feringa nog wel het één en ander te verbeteren. Hij schat dat de propeller zo'n vijf uur bezig is voordat hij onder invloed van tal van chemische reacties een volledige omwenteling heeft voltooid. Feringa vertrouwt erop dat het mogelijk zal zijn om de omwentelingssnelheid sterk te verhogen: ``Ons door licht aangedreven motortje draaide bij kamertemperatuur aanvankelijk eens in de twee uur, maar de snelheid is sinds het eerste ontwerp in 1999 met een factor 1,2 miljoen opgevoerd.''

Nanotechnologen die willen begrijpen hoe een moleculaire motor werkt, refereren vaak aan de Brownian ratchet, een model dat is bedacht door de beroemde Amerikaanse fysicus Richard Feynman. Dit Brownse `palrad' is te visualiseren als een tandrad met schoepen dat ronddraait door de aanhoudende impulsen van een bombardement van moleculen. Een palletje zou er voor moeten zorgen dat het rad steeds een stapje verder draait bij een inslag vanuit een bepaalde `gunstige' richting, maar niet terug kan draaien.

Zoals Feynman opmerkte is een mechanisme zoals hierboven beschreven onmogelijk.Het schendt de Tweede wet van de Thermodynamica, die met zich meebrengt dat de wanordelijke kriskras bewegingen niet kunnen worden omgezet in arbeid. Er is een externe energiebron nodig om het palrad te beletten terug te draaien.

Veel biomoleculaire motoren werken volgens dit palradmechanisme. In het artikel `The Physics of Molecular Motors' neemt de Amerikaanse chemicus Carlos Bustamente als voorbeeld de werking van DNA-polymerase (Accounts of Chemical Research, No. 6, 2001). DNA-polymerase is een eiwit dat helpt om individuele nucleotiden waaruit DNA is opgebouwd vast te plakken aan een enkele streng DNA, zodat weer een dubbele streng ontstaat. Volgens Bustamente verschuift het DNA-polymerase telkens een stapje (één nucleotide) onder invloed van het Brownse bombardement van moleculen waaraan het wordt blootgesteld (zie afbeelding). Nadat het DNA-polymerase een stapje is verschoven, bindt zich een nieuwe nucleotide (dat kost chemische energie) waardoor het stapje terug onmogelijk wordt, er kan alleen nog een stapje vooruit worden gemaakt. De noodzakelijke externe energiebron wordt in dit geval geleverd door een chemische verbinding.

Feringa schrijft in zijn Nature-artikel dat zijn rotatiemotor waarschijnlijk wordt aangedreven door twee factoren: Brownse beweging en chemische reacties. Hij heeft een molecuul geconstrueerd dat grotendeeld bestaat uit platte ringen van koolstofatomen. Het molecuul bestaat in twee varianten: één die kan roteren rond een draaipunt in het midden en één die dat niet kan.

De rotatie vindt plaats onder het eerder beschreven bombardement van moleculen. Door een chemische reactie gaat het molecuul over in de niet draaibare toestand, welke als pal fungeert die terugdraaien blokkeert. Maar volgens Feringa werkt zijn propeller zeker niet alléén als een Brownian ratchet. Beslissend voor de rotatiebeweging is energie die wordt aangeleverd door chemische verbindingen die worden toegevoegd. Feringa spreekt van een power stroke, een `rotatieslagje' van de propeller dat zich voltrekt bij de vorming van een nieuwe chemische verbinding.

Feringa benadrukt dat de machientjes die nu in Groningen worden gebouwd nog zeer primitief zijn. Toch acht hij het denkbaar dat op de lange termijn een kunstmatig systeem van voortstuwing wordt bedacht voor in het bloed op basis van glucose als energiebron. De Franse makers van de kunstmatige zweepstaart speculeren over vergelijkbare toepassingen. In elk geval kan de bouw van artificiële moleculaire machientjes helpen om beter de werking te begrijpen van de biologische motortjes die in onze lichaamscellen tal van processen verzorgen; van DNA-replicatie tot energiewinning en het transport van lichaamsstoffen.