De moleculaire machines van Ben Feringa en zijn mede-Nobellaureaten

Ons land is een Nobelprijswinnaar rijker. Dankzij zijn mechanische moleculen kreeg organisch chemicus Bernard Feringa gisteren de Olympische medaille van de wetenschap uitgereikt. Hoe zijn die nanomachines tot stand gekomen en hoe werken ze?

Om die vragen te beantwoorden moeten we ook naar het werk van Feringa’s mede-Nobellaureaten kijken. Jean-Pierre Sauvage en de Schot Sir James Fraser Stoddart hebben beide hun steentje bijgedragen voor de ontwikkeling van ingenieuze moleculaire machines.

Ketting

Dit mechanisme gebruikte Jean-Pierre Sauvage om een molecuulketting te maken. Beeld: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Dit mechanisme gebruikte Jean-Pierre Sauvage om een molecuulketting te maken. (Klik op de afbeelding om hem te vergroten.) Beeld: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

In 1983 wist Jean-Pierre Sauvage op effectieve wijze moleculaire ringen in elkaar te klikken door een geladen koperdeeltje in een van de ringen te zetten. Dat koper trok vervolgens een halve ring aan die door de ring steekt. Daarna reageren de uiteindes van die halve ring met een andere halve ring om de ketting te sluiten. Op die manier krijg je moleculen die mechanisch aan elkaar vastzitten. Ze kunnen dus nog los van elkaar bewegen. Dit wijkt af van de standaardmethode waarmee moleculen aan elkaar binden. Dat gebeurt door middel van elektronen die een paartje vormen. Sauvage wist dat hij met zijn molecuulketting een belangrijke stap naar een moleculaire machine zette.

Rotaxaan

James Fraser Stoddart ontwikkelde een ring-om-as-structuur, waarbij de ring tussen blokkades kan bewegen. Beeld: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
James Fraser Stoddart ontwikkelde een ring-om-as-structuur, waarbij de ring tussen blokkades kan bewegen. (Klik op de afbeelding om hem te vergroten.) Beeld: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

In 1994 maakte James Fraser Stoddart zijn paradepaardje: een moleculaire constructie van een ring om een as. Die combinatie doopte hij rotaxaan. Hij nam daarvoor een ringvormig molecuul met een kleine opening. Stoddart kon die ring vastklikken om een langwerpig molecuul, dat als as fungeerde. Op die as zaten twee uitstekende structuren die als blokkade werkten. Deze structuren hadden een relatief sterke negatieve lading, ten opzichte van de ring. Daardoor schakelde de ring steeds heen en weer tussen die blokkades.

Door de lading in de blokkades met kleine stroompjes aan te passen, kon Stoddart de ring naar wens over de as bewegen. Hij paste dit bijvoorbeeld toe op een structuur waarbij de ring als denkbeeldige lift voor een 0,7 nanometer hoog gebouw kon fungeren.

Door de assen en ringen van twee rotaxaans aan elkaar te knopen, maakte Stoddart een moleculair spiertje dat door chemische stimuli kon samentrekken. Zo’n nanospier bleek sterk genoeg om een gouden nanodeeltje een klein stukje te buigen.

Fourwheeldrive

De moleculaire motor van Ben Feringa werkt schematisch op deze manier. Beeld: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
De moleculaire motor van Ben Feringa werkt schematisch zoals hierboven afgebeeld. (Klik op de afbeelding om hem te vergroten.) Beeld: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Bovenaan het verlanglijstje van scheikundigen stond daarna een structuur die een werkelijke nanomachine mogelijk zou maken: een motor die continu in dezelfde richting draait. Dit bereikte Ben Feringa in 1999. Hij maakte een cirkelvormig molecuul, dat uit twee helften bestond en verbond dat met een ronddraaiende as. Ronddraaiende moleculen bestonden al, maar dit exemplaar kon Feringa zelf controleren. Hij maakte het molecuul zo, dat de helften door UV-licht 180 graden draaien ten opzichte van elkaar. Beide helften hadden een klein uitstekend stukje. Dat stukje kon, als een ribbel van een tiewrap, maar in één richting doorschieten. Eenmaal over het randje, draait het molecuul niet meer terug. Met een nieuwe puls UV-licht schiet het molecuul vervolgens weer door: een volledige rotatie.

Door vier van zulke motoren als wielen vast te maken aan een moleculair chassis, realiseerde Feringa een moleculaire fourwheeldrive. Daarmee behaalde hij in 2011 de voorpagina van het vakblad Nature. Wij spraken met Feringa over zijn moleculaire wagentjes in de maart 2013 editie van NWT Magazine, de voorganger van New Scientist. Het artikel is hier te lezen.

In 2014 lukte het om de wielen 12 miljoen rotaties per seconde te laten maken. De kracht van deze moleculaire motoren demonstreerde Feringa door ze in een kristalachtige vloeistof te laten draaien. De ronddraaiende stroming die dit veroorzaakte, bleek sterk genoeg om een glazen cilinder die 10.000 keer groter is dan de motoren te roteren – vergelijkbaar met een zandkorrel die een mens laat ronddraaien.

Gereedschap

Leestip Met 50 inzichten scheikunde bent u in één klap op de hoogte van alle belangrijkste kennis uit dit vakgebied. Bestel dit boek in onze webshop
Leestip Met 50 inzichten scheikunde bent u in één klap op de hoogte van alle belangrijkste kennis uit dit vakgebied. Bestel dit boek in onze webshop

De nanostructuren die de drie Nobelprijswinnaars ontwikkelden, zijn een goed voorbeeld van fundamenteel onderzoek. Voor de nanomotoren bestaat namelijk nog altijd geen nuttige toepassing. Deze moleculen kunnen mogelijk dienen als gereedschap, als onderdeel of simpelweg als inspiratie voor toekomstige moleculaire machines. Feringa opperde zelf het gerichte transport van medicijnen als voorbeeld. Je zou zo’n medicijn op de moleculaire fourwheeldrive kunnen laden en die bijvoorbeeld nauwkeurig naar een kankercel kunnen sturen. Dit is allemaal nog speculatief, maar Feringa vergelijkt het met de uitvinding van het vliegtuig door de Wright-brothers in 1903. Men kon zich het nut van die uitvinding ook niet meteen voorstellen en nu vliegen we binnen acht uur van Amsterdam naar New York. Dat benadrukt volgens hem het belang van fundamenteel onderzoek.

Altijd op de hoogte blijven van het laatste wetenschapsnieuws? Meld je nu aan voor de New Scientist nieuwsbrief.

Lees verder:

Over de auteur

Ivar Dilweg

Ivar Dilweg is student Life Science & Technology aan de Universiteit Leiden. Hij was er altijd van overtuigd in een laboratorium terecht te komen, maar is nu een nieuwe weg ingeslagen als stagiair bij New Scientist.



Plaats een reactie