Nanobuisje beweegt alle kanten op dankzij aangehechte enzymen

Een koolstof nanobuisje met twee enzymen eraan vast kan zich autonoom voortbewegen met glucose als brandstof (Chemical Communications, januari). Onderzoekers onder leiding van Ben Feringa, hoogleraar Organische en Moleculair Anorganische Chemie in Groningen, publiceerden eerder al over moleculaire motortjes die werken op licht, maar de ultieme toepassing in zijn vakgebied is een robotje in de bloedbaan. Daar is licht als energiebron niet voorhanden en glucose wel.

De nanobuisjes waarover nu wordt gepubliceerd bewegen zich nu kortstondig voort met een snelheid van 0,2 tot 0,8 centimeter per seconde. Kunstmatige moleculaire motoren zijn van belang omdat ze wetenschappers inzicht verschaffen in de veel ingewikkelder biologische ‘motoren’: eiwitten die bijvoorbeeld ionen transporteren of ervoor zorgen dat cellen zich delen. Op termijn zouden moleculaire motoren misschien gebruikt kunnen worden om voedingsstoffen of medicijnen door het menselijk lichaam te transporteren, maar zo ver is het nog lang niet. Een van de problemen van de Groningse motor is dat hij zich nog niet consequent kan voortbewegen in één bepaalde richting. Feringa werkt ook aan moleculaire motoren die zich bewegen langs ‘paden’ die vooraf zijn uitgezet. Een voorbeeld van zo’n pad is een waterminnend of juist waterafstotend oppervlak waaraan moleculen zich binden en weer loslaten zodat ze stap voor stap vooruit komen. Ook de cellen in ons lichaam bieden een netwerk van eiwitten, microtubuli, waarlangs stoffen worden getransporteerd.

De Groningers zetten twee enzymen op een nanobuisje. Het ene enzym, glucose oxidase, zet glucose om in waterstofperoxide. Het andere enzym, katalase, zet het waterstofperoxide om in zuurstof en water. Feringa heeft sterke aanwijzingen dat het zuurstofgas dat ontstaat aan de ene zijde ervoor zorgt dat het nanobuisje de andere kant op beweegt. De aandrijving is daarmee vergelijkbaar met het werkingsprincipe van een straalmotor.

Waterstofperoxide is al eerder gebruikt als brandstof voor de aandrijving van moleculaire motoren, maar het is giftig en zeer reactief. De crux van het gebruik van twee verschillende enzymen is dat het eerste enzym het glucose in een vast tempo omzet in waterstofperoxide zodat het elders in de cel geen schade kan aanrichten.

Het nanobuisje is een molecuul van koolstofatomen met de structuur van een langgerekte rol kippengaas. In het experiment van Feringa zijn de enzymen vastgezet op de zijkant van de nanobuisjes. Voor de aandrijving zou het eigenlijk beter zijn om de enzymen op een van de uiteinden van het molecuul te plaatsen. De Groningse onderzoekers proberen op dit moment nanobuisjes aan het eind chemisch te modificeren zodat de enzymen uitsluitend aan de tip hechten. Mogelijk valt de voortstuwingssnelheid op die manier te verbeteren.

Michiel van Nieuwstadt