Scheikundigen dromen van moleculen die ook machines zijn

Scheikunde Medicijnen die op één plek actief zijn. Namaakspiertjes. Coatings waarmee ramen zichzelf wassen. In 2016 ging de Nobelprijs naar moleculaire machientjes. Wat is er sindsdien gebeurd?

Een spermacel is een van de vele machines in het menselijk lichaam. De spermatozoïde verplaatst zich door zijn zweepstaart als propeller te gebruiken.
Een spermacel is een van de vele machines in het menselijk lichaam. De spermatozoïde verplaatst zich door zijn zweepstaart als propeller te gebruiken. Foto Hollandse Hoogte

Stel dat je een ‘aan-knop’ op moleculen kan zetten. Op een medicijn, bijvoorbeeld. Je slikt een pil, het medicijn reist via de bloedbaan door je hele lichaam, maar veroorzaakt nog nergens vervelende bijwerkingen. Pas als het medicijn bij het juiste orgaan aankomt, druk je op de knop, en begint het te werken.

Het molecuul zou onder invloed van licht kunnen draaien, en zo het geneesmiddel in een werkzame toestand brengen. Een medicijn kan je verstoppen onder een beweegbaar onderdeel van een molecuul. Schijn met infrarood licht door het lichaam heen op de moleculaire machine, het onderdeel verschuift, het actieve deel van het medicijn komt tevoorschijn en kan nu werken.

Dit medicijn met een aan-knop is nog niet op de markt: het is een gedroomde moleculaire machine. In 2016 ontvingen Jean-Pierre Sauvage, James-Fraser Stoddart en de Nederlander Ben Feringa de Nobelprijs voor de ontwikkeling van moleculaire nanomachines. Moleculaire machines zijn precies wat de naam doet vermoeden: kleine machines, niet groter dan één molecuul. Zoals tandwielen in machines uit het grote dagelijks leven om een as draaien, kunnen ook moleculen met bewegende onderdelen bestaan. Moleculen met roterende onderdelen hebben eigenschappen die ‘statische’ moleculen nog niet hebben: ze kunnen reageren op prikkels in de omgeving, en sommigen werken op zonlicht. Moleculaire machines kunnen werk verzetten, op moleculaire schaal.

Moleculaire machines zijn dus veel complexer dan een aan-uitknop. In 2017 vond de eerste Nanocar Race in Toulouse plaats, zes jaar nadat Feringa een rijdende auto op nanoschaal maakte. Afgelopen jaren maakten onderzoekers onder andere een door licht aangedreven scharnier en een beweegbare werkbank om aminozuren aan elkaar vast te plakken. Maar zoals een draaiend tandwiel op zichzelf geen nut heeft, heeft een moleculaire rotor dat ook nog niet. Het vereist technisch vernuft om van een rotor een motor te maken.

Dit jaar is het vijf jaar geleden dat de Nobelprijs de potentie van moleculaire machines onderstreepte. Dat is nog altijd waar het bij blijft: potentie. Een commerciële toepassing is er nog niet. Wat is er na de prijs gebeurd? Kunnen scheikundigen vijf jaar na de Nobelprijs gaan nadenken over toepassingen?

Kantelpunt

„De Nobelprijs heeft ervoor gezorgd dat er heel veel groepen in de wereld aan moleculaire machines werken”, zegt Ben Feringa, hoogleraar organische chemie aan de Rijksuniversiteit Groningen. „Men realiseert zich dat dynamische moleculen heel veel mogelijkheden hebben. Mensen komen met creatieve ideeën om moleculen te laten bewegen om responsieve, slimme materialen te maken.”

Op dit moment bevindt het onderzoeksveld zich op een kantelpunt, denkt Ivan Aprahamian. Hij is hoogleraar scheikunde aan het Dartmouth College in de Verenigde Staten. In een vorig jaar verschenen overzichtsstudie signaleert Aprahamian dat het onderzoeksveld van moleculaire machines enerzijds ver ontwikkeld is: onderzoekers zijn erg goed geworden in het ontwerpen en controleren van bewegende moleculen. Toch staan moleculaire machines nog in de kinderschoenen, zegt Aprahamian. Ze zijn nog ver verwijderd van de complexiteit van moleculaire machines die de natuur heeft voortgebracht.

Moleculaire machines in de natuur: daar komt het grote vertrouwen in het onderzoeksveld vandaan. Wanneer Feringa spreekt over moleculaire machines, komt hij voortdurend terug op de vele „machines in je lichaam”; complexe systemen waarbij beweging in moleculen essentieel is. Denk aan een spermacel, die zich verplaatst door zijn zweepstaart als propeller te gebruiken, of de eiwitmotoren in je spiercellen. Als je je arm beweegt, wordt die aangedreven door machines op nanoschaal in je lichaam – duizend keer kleiner dan een haar.

Aprahamian trekt ook de vergelijking met de natuur: „Het feit dat ik je kan zien, komt door een schakelaar in mijn ogen. Licht komt in mijn ogen terecht, waardoor een molecuul draait.” Het molecuul – retinal – wordt zo ‘aan’ gezet, en activeert een cascade aan reacties, wat er uiteindelijk toe leidt dat in de hersenen een beeld ontstaat. „Retinal is een heel simpel molecuul, en is al een moleculaire schakelaar. Zulke functies proberen we na te maken”, vult Feringa aan.

Namaakspiertjes

Juist het namaken van machines in de natuur is een van de grootste uitdagingen in het onderzoek naar moleculaire machines, vertelt Carson Bruns. Hij leidt het laboratorium voor Emergent Nanomaterials aan de University of Colorado Boulder in de Verenigde Staten. Nobelprijswinnaar Stoddart was zijn leermeester: als jonge scheikundige kwam Bruns in zijn lab te werken. Bruns heeft veel gewerkt aan een kunstmatige spier, gemaakt van namaakspiertjes op nanoschaal, die net als echte spiercellen op commando samentrekken. Maar één moleculaire spier maakt nog geen spier, zoals één spiercel ook nog geen spier is. Spiercellen werken gesynchroniseerd: ze gaan in de juiste volgorde samentrekken, communiceren met elkaar, bewegen in dezelfde richting. Dat alles is moeilijk in kunstmatige moleculaire spieren. Hoe zorg je ervoor dat duizenden moleculaire spiertjes coherent samenwerken richting eenzelfde doel?

Spiercellen weergegeven met behulp van een elektronenmicroscoop. Zulke cellen zijn micromachines die op commando synchroon samentrekken en met elkaar communiceren. Foto Hollandse Hoogte

De nieuwste moleculaire spieren worden al beter in samenwerken. Aprahamian denkt dat de ontwikkeling van die moleculen nu relatief vergevorderd is. Het geheim zit hem in de organisatie van de moleculen. Als je heel veel machines verwerkt in ‘vloeibare kristallijne polymeren’. Deze polymeren – lange moleculen die worden gemaakt door een klein molecuul aaneen te rijgen – zijn op moleculair niveau heel strak geordend. Als chemici zulke moleculen slim ontwerpen, kunnen ze er machientjes in verwerken die in dezelfde richting bewegen. Wat de natuur zo goed kan – miljoenen machientjes synchroon laten bewegen – kan zo’n kunstmatige spier ook. „Als ik moet voorspellen vanuit welk gebied de eerste toepassing zal komen, zou ik inzetten op vloeibare kristalpolymeren die op licht reageren”, schrijft Aprahamian in zijn overzichtsstudie.

Een kunstmatige spier zou – onder invloed van bijvoorbeeld zonlicht, zonder accu, doen wat een spier doet: iets in beweging zetten. Een katrol laten draaien, bijvoorbeeld. In 2017 maakten chemici een soort moleculaire vleesetende plant, die onder invloed van licht dichtklapt. Het is een grijparm die iets vastpakt, en ook weer loslaat. Dit kan leiden tot een toepassing in ‘autonome zelfregulerende micro-robotica’, schrijven de onderzoekers. Daar zit een verschil tussen functie en toepassing: een grijparm kan dingen vastpakken, dat is functie. Pas als onderzoekers het verwerken in nieuwe technologie, heeft het toepassing.

Dat zulke materialen automatisch bewegen en zonder accu, dát is een algemene unieke eigenschap van moleculaire machines. „Slimme materialen”, noemt Feringa ze steeds. Of „responsieve, adaptieve materialen”. Hij fantaseert over een coating die je op een zonnepaneel smeert, dat zichzelf automatisch schoonmaakt, wanneer nodig. In zonnige gebieden kan ophopend stof zonlicht blokkeren; zo’n coating maakt zichzelf schoon. Of ook handig: ramen die zichzelf wassen. Hoe langer je met Feringa praat, hoe meer mogelijke toepassingen ter plekke ontstaan.

Maar bij elke nieuwe mogelijke toepassing komt ook steeds weer een nieuwe uitdaging. In de moleculaire wereld bestaan heel andere krachten dan in de ‘macrowereld’, zegt Feringa. Moleculen hebben geen last van zwaartekracht, maar van elektrostatische interacties en waterbruggen: ze worden aangetrokken of afgestoten door andere moleculen. En dan heb je nog ‘browniaanse beweging’: in een vloeistof zullen alle moleculen altijd en onafgebroken in willekeurige richtingen bewegen en botsen. Een moleculaire machine in een gerichte beweging brengen is als een wandeling maken in een orkaan , schreef hoogleraar fysica Dean Astumian al in 2007 in Physical Chemistry Chemical Physics. Al die krachten in de moleculaire wereld maken machines moeilijk te controleren. Maar toch kan de natuur het, zo concludeerde Astumian, dus kan de scheikundige het ook.

Warme gevoelens

Voor chemici die moleculaire machines maken, is het werken aan een concrete toepassing – en alle obstakels onderweg – niet leidend. Onderzoekers met een hart voor moleculen voelen dat moleculen die op duizelingwekkende wijze langs elkaar glippen, op en neer glijden en in elkaar kronkelen, op een dag iets moois teweeg gaan brengen. „Sommige moleculen blinken uit door schoonheid”, zegt Feringa. „We hebben gewoon dingen zien bewégen in het lab! Staafjes die ronddraaien. Ik kan je vertellen, daar krijg je heel warme gevoelens van.”

„Mijn gedachten gaan vaak uit naar de gebroeders Wright, en de demonstratie van hun eerste vlucht in Kitty Hawk op 17 december 1903”, vertelde Feringa in 2014 tijdens zijn lezing bij het in ontvangst nemen van zijn Nobelprijs. Nooit had iemand gedacht dat we passagiersvliegtuigen zouden bouwen om honderden mensen te verplaatsen tussen continenten. De gebroeders Wright dachten niet na over het praktisch nut van een vliegtuig. Ze wilden gewoon vliegen.

„Dat is het punt waar we nu zijn”, reageert Bruns. „We spelen met moleculen, we weten dat ze tot interessante toepassingen gaan leiden. Maar we weten nog niet wat het passagiersvliegtuig van deze moleculen gaat zijn.”