Poeder dat zwembad laat stollen

natuurkunde

Het lijkt een gadget van James Bond: een gram poeder dat van een emmer vol water gel maakt.

In een lichaamscel vormen eiwitketens een flexibel, maar stevig celskelet. Foto’s A. Rowan/RUN

Het klinkt verleidelijk. Strooi twee kilo van het poeder in een flink privézwembad – even makkelijk als twee pakken suiker leegschudden – en kijk: in één klap verandert het water in een stevige gel. “Eigenlijk zou ik het eens moeten proberen”, mompelt Alan Rowan. “Alleen jammer dat een kilo poeder 15.000 euro kost.”

Rowan kwam bijna twintig jaar geleden uit Nieuw-Zeeland als postdoc naar de Radboud Universiteit Nijmegen. Nu is hij daar hoogleraar en leidt hij er de Afdeling Moleculaire Materialen met ongeveer 50 onderzoekers en promovendi. Laatst maakten 500 kinderen er winegums – “een goede manier om met wetenschap kennis te maken” – en zelf houdt Rowan van ‘whiskey-winegums’, maar zulke lichtvoetigheden ten spijt: de supergelerende stof die zwembaden kan laten stollen, is een serieuze zaak. Met elf Nijmeegse en twee Delftse collega’s beschreef Rowan de stof deze week in Nature (23 januari).

De stof neemt niet alleen honderd keer meer water op dan de ‘supergeleerders’ die luiers droog houden, zo blijkt uit dat stuk, maar heeft meer bijzondere kwaliteiten. Hij reageert bijvoorbeeld precies tegengesteld op temperatuur dan alle andere gelerende stoffen. Terwijl een gelatinepudding opstijft als je hem in de koelkast zet, wordt de Nijmeegse gel juist stevig bij hoge temperatuur – ergens tussen de 18 en 44 graden Celsius. En hij wordt weer vloeibaar als hij afkoelt.

Kijk, zegt Rowan. Hij pakt een reageerbuisje uit een bakje schaafijs, warmt het in zijn handen en voilà: wat net vloeibaar ‘water’ was, is nu een transparante gel die zelfs op zijn plek blijft als je het buisje op zijn kop zet. Gemaakt van natuurlijke eiwitten, en niet giftig - “ik geef hem zo aan een student te eten.”

Zo’n biogel spreekt tot de verbeelding. Je zou van deze stof ‘pleisters’ kunnen maken die op een warm lichaam vanzelf aan een wond hechten en die je met koud water weer wegspoelt. Je zou er rimpels mee kunnen opvullen. Of iets heel anders, zegt Rowan: je zou er deels leeggepompte oliereservoirs mee kunnen ‘afsluiten’ zodat het water onder hoge druk daarna genoeg perskracht kan opbouwen om de resterende olie – onder de gel door – omhoog te stuwen.

Rowan: “En de prijs ervan is niet eens zo extreem als je bedenkt hoe weinig je steeds nodig hebt.” Immers: met krap een theelepel (1 gram) ervan kun je al een emmer water (30 liter) geleren. Hoe werkt dat? Over die vraag hebben de onderzoekers zich maandenlang gebogen.

Hairy helix

Het begon twee jaar geleden. Toen zette de Franse postdoc Matthieu Koepf, ‘gedeeld’ eerste auteur van het artikel, in Nijmegen een bakje in de ijskast met daarin lange wenteltrapvormige eiwitpolymeren (polyisocyanopeptide ) die maar niet in water wilden oplossen. Zelfs niet nadat Koepf en collega’s die eiwitketens ‘haartjes’ hadden gegeven (van ethyleen glycol, zie figuur). Totdat hij het bakje weer uit de ijskast haalde om er mee verder te werken: tot zijn verrassing waren de lange polymeerketens nu wèl opgelost. Rowan: “Puur toeval, maar we wisten meteen: hier hebben we iets te pakken.”

Uit een nauwgezette analyse bleek waarom de ‘hairy helix’-moleculen zo tegendraads op temperatuur reageren. Dat hangt samen met ‘entropie’, het fysische verschijnsel dat gesloten systemen in de natuur als vanzelf naar een toestand van maximaal mogelijke wanorde evolueren. De mate van wanorde stijgt bovendien als de temperatuur toeneemt. Kijk naar een pan water of melk op het vuur: de moleculen daarin krioelen steeds driftiger door elkaar.

Juist daarom lijkt het zo tegenintuïtief dat de Nijmeegse gel opstijft als het warmer wordt. De haartjes aan de langgerekte moleculen gaan dan netjes in het gelid staan, als de tanden van een kam, en waar twee van die kammen elkaar ontmoeten haken ze meteen in elkaar, als klittenband. De structuur die zo ontstaat is de ‘ruggegraat’ van de gel.

Dat de entropie dan toch toeneemt, komt doordat het water dat voorheen tussen de warrige ‘haren’ van de moleculen gevangen zat, nu tussen de ‘tanden van de kammen’ uit is geperst en daarbuiten vrijelijk stroomt, zegt Rowan. Van dat ‘slordig’ water is er bovendien véél meer dan van het ‘ordelijk’ eiwitpolymeer.

Celskelet

Het raakvlak van de harige eiwitketens met de biologie is al even interessant, zegt Paul Kouwer. Hij is de andere (gedeelde) eerste auteur van het artikel. De afgelopen twee jaar mat hij hoe de elasticiteit en de stroperigheid van de gel veranderden als de temperatuur steeg of daalde, en onderzocht hij de structuur van de gel met een atomaire-krachtmicroscoop.

Die structuur lijkt precies op de geleiachtige structuur – het ‘cytoskelet’ – die lichaamscellen vormvast en toch flexibel maakt, constateerde Kouwer. In beiden gevallen zijn lange helixvormige eiwitketens tot bundels in elkaar gedraaid.

Kouwer: “Zulke bundels lijken op elastische staafjes, of stevige kabels. Je kunt ze indrukken en eraan trekken, en hoe harder je eraan trekt, hoe meer weerstand ze bieden, maar ze knikken, breken en vouwen niet. Zo houden ze de cel in vorm. En het grappige is dat de natuur deze ‘elastische staafjes’ op dezelfde manier maakt als onze gel dat doet.”

De natuur en de gel draaien de eiwitketens tot bundels, zoals ouderwetse touwslagers vezels tot touw draaien. Zulke bundels zijn daarna over een veel grotere lengte stevig en stijf dan een enkel eiwitdraadje. Die lengte neemt toe met het kwadraat van het aantal draadjes, zag Kouwer, en loopt op van een paar nanometer voor een enkel draadje tot een paar honderd nanometer voor een bundel van zeven draadjes, het gemiddelde aantal in de Nijmeegse gel.

Samen vormen die bundels tot slot een ‘ spons’ met poriën vol water. Die zijn groot genoeg om bijvoorbeeld voedingsstoffen te laten passeren, maar te klein om bacteriën door te laten (diameter tussen de 50 en 200 nanometer) en dat is alweer een handige eigenschap bij toepassingen: in actieve, voedende pleisters bijvoorbeeld. Of wanneer je de gel als kweekmedium voor celculturen gebruikt, zoals nu samen met spin-off Novitech gebeurt.

Patenten

Worden de Nijmeegse chemici dus rijk? Met intussen drie patenten, en meer toepassingen in het verschiet? Nee, legt Rowan uit, want het geld dat die patenten misschien opleveren, vloeit vrijwel helemaal terug naar het onderzoek. “En dat is goed, want het is ons doel om onderzoek te doen en ontdekkingen. Juist daarom werken we aan een universiteit. En let wel, er wordt nu veel gepraat over innovatie en valorisatie, maar daar gaat één ding aan vooraf: ontdekking. Zonder ontdekkingen valt er niks te valoriseren en te innoveren.”

Dan lacht hij, en kijkt naar Kouwer. “Nou ja, dat klinkt misschien... Onderzoek doen is ook gewoon heel erg leuk.”

    • Margriet van der Heijden