Linksom of rechtsom

Een nieuwe methode om links- en rechtsdraaiende moleculen te scheiden verklaart wellicht ook waarom alles in de natuur linksom draait. Michiel van Nieuwstadt

Wim Noorduin toonde aan dat natriumchloraat in twee maanden vanzelf, zonder te malen kristalliseert uit een verzadigde oplossing. De kristallen hebben een interne structuur van een wenteltrap die linksom of rechtsom kan draaien. De links- en rechtshandige kristallen zijn te onderscheiden omdat ze verschillend oplichten in gepolariseerd licht (donker- en lichtgeel). Het grote kristal wordt steeds groter ten koste van de kleinere. Uiteindelijk blijft er één kristal over dat uit één van de twee spiegelbeelden bestaat. Ill. Crystal Growth and Design Crystal Growth and Design

Spiegelbeeldige moleculen zijn van elkaar te scheiden door ze dagenlang te roeren, te malen en langzaam te laten uitkristalliseren. De scheidingsmethode, bedacht en uitgevoerd door onderzoekers van de Radboud Universiteit Nijmegen en twee chemiebedrijven, is interessant voor de farmacie (Journal of the American Chemical Society, januari en Crystal Growth and Design, publicatie aanstaande).

De medicinale werking van twee spiegelbeeldige moleculen, vergelijkbaar met het verschil tussen een linker- en rechterhand, kan enorm verschillen. Om alleen de juiste variant te maken worden nu bijvoorbeeld kwetsbare enzymen of dure metaalkatalysatoren gebruikt. De nieuwe methode kan een gemakkelijker en goedkoper alternatief bieden. Daar komt bij dat de resultaten van het experiment een verklaring kunnen geven voor een wetenschappelijk mysterie: een antwoord op de vraag hoe het mogelijk is, dat in de natuur alleen linksdraaiende aminozuren voorkomen en geen rechtsdraaiende. Bert Meijer, hoogleraar aan de TU Eindhoven en specialist op dit terrein, noemt de ontdekking opmerkelijk en belangrijk: “Het is zo mooi, dat ik het graag zelf had gevonden.”

variant

Voor het experiment ontwikkelde het chemiebedrijf DSM een molecuul op basis van phenylglycine, een niet-natuurlijk aminozuur. De kristallisatie- eigenschappen van het molecuul werden aangepast door er een ringvormige groep aan te koppelen. “Het aminozuur is gepimpt”, zegt Wim Noorduin van het Instituut voor Moleculen en Materialen van de Radboud Universiteit. Hij is eerste auteur van beide wetenschappelijke artikelen.

Van het aldus resulterende N-(2-methyl-benzylidene-phenylglycine)-amide prepareerde Noorduin een verzadigde oplossing met links- en rechtsdraaiende kristallen die hij dagenlang in beweging hield in een erlenmeyer. Glazen kraaltjes zorgden ervoor dat de nieuw gevormde kristallen voortdurend weer werden vermalen.

Per saldo nam de totale hoeveelheid kristal door al dat draaien niet toe, maar de samenstelling van de kristalletjes veranderde wél. Afhankelijk van een toevallige uitgangssituatie bleven er alleen kristallen met rechtsdraaiende of juist linksdraaiende moleculen over. Rechtsdraaiende moleculen passen immers alleen in een rechtsdraaiend kristal.

De spiegelbeeldige varianten konden in de oplossing at random in elkaar overgaan, dankzij de toevoeging van een extra molecuul dat een waterstofatoom kon verwijderen, dat daarna aan de andere kant werd teruggeplaatst. De moleculen klapten als het ware om tot hun spiegelbeeld. Omdat één spiegelbeeld voortdurend in kristalvorm werd vastgelegd bleven er van het andere spiegelbeeld uiteindelijk geen moleculen meer over. “De grote kristallen blijken te groeien ten koste van de kleine”, zegt Noorduin. “Dat blijkt ook te gebeuren in een stilstaande oplossing. Het fijnmalen versnelt de zaak. Waarom dit experiment uitdraait op The winner takes it all begrijpen we nog niet precies.”

wenteltrap

Noorduin bouwt voort op eerdere proeven met natriumchloraat door de Spanjaard Cristóbal Viedma ( Physical Review Letters, 2005). Die verbinding heeft in kristalvorm de structuur van een wenteltrap. De wenteltrap kan linksom of rechtsom draaien, ook al komen de natriumchloraationen in oplossing zelf niet voor in rechts- of linksdraaiende varianten. Viedma liet zien dat al malende één van de twee kristalvormen overblijft.

“De publicatie van het experiment met natriumchloraat konden wij eigenlijk nauwelijks geloven”, zegt Noorduin. “Het lijkt even onwaarschijnlijk dat je een bak met munten omkeert en ze allemaal op kop terecht ziet komen.” Toch slaagde Noorduin er ook in om het experiment van Viedma met natriumchloraat te reproduceren zonder de kristallen te vermalen. De omzetting duurt dan wel erg lang (zie afbeelding). “In de natuur kunnen linksdraaiende aminozuren na de dood van een organisme ook in rechtsdraaiende veranderen. Dit mechanisme wordt gebruikt om fossielen te dateren.”

Noorduin koppelt zijn bevindingen aan beroemde experimenten uit de jaren vijftig waarin Stanley Miller en Harold Urey aantoonden dat aminozuren ontstaan als een mengsel van methaan, waterstof en ammoniak wordt blootgesteld aan een kunstmatig opgewekte bliksem. Noorduin: “Bij dat experiment ontstond een mengsel van links- en rechtsdraaiende aminozuren, maar het leven kent alleen de linksdraaiende variant. Hoe dat komt, konden Miller en Urey niet verklaren. Wij denken dat die verklaring zou kunnen liggen in het rondmalen van aminozuren.” In een review in Nature van afgelopen donderdag speculeert Noorduins collega Michael McBride (Yale University) dat wervelend zand in zee op de vroege aarde misschien de malende rol vertolkte die ervoor zorgde dat biologische moleculen uiteindelijk allemaal linksdraaiend werden.

pincet

Dat rechts- en linksdraaiende moleculen verschillende kristallen kunnen vormen ontdekte Louis Pasteur al in 1848 toen hij waarnam hoe wijnsteenzuur uitkristalliseert in links- en rechtsdraaiende kristallen. Met een pincet was hij in staat de kristallen van elkaar te scheiden. Noorduin: “Het grote verschil is dat wij voor ons scheidingsmechanisme geen ingreep van buitenaf nodig hebben. En in de experimenten van Pasteur bleef de 50/50-verhouding tussen links- en rechtsdraaiend bewaard. In ons experiment is het eindresultaat een erlenmeyer met kristallen die voor 100 procent bestaan uit één van de twee spiegelbeelden.”