We zijn een stukje dichter bij het namaken van biologische spieren. Een team onder leiding van Nobelprijswinnaar Ben Feringa heeft een constructie van nanomotoren gebouwd die onder invloed van licht een stukje papier kan optillen.
De door licht geactiveerde nanomotoren waarmee Ben Feringa in 2016 de Nobelprijs won, spraken direct tot de verbeelding. Al was het maar omdat het team een minuscule nanoauto wist te bouwen, die met vierwielaandrijving over een koperen oppervlak kon kruipen.
In de tussentijd hebben Feringa en zijn collega’s van de Rijksuniversiteit Groningen niet stilgezeten. ‘Het was een prachtig experiment, maar het bleef de vraag of er echt iets tastbaars mee gedaan kon worden,’ zegt Feringa. ‘Al hebben we al lang moleculaire motors, het bleef lastig om deze te gebruiken om dingen in beweging te zetten.’
‘Er komt een moment dat we een grieppandemie niet kunnen voorkomen’
Ron Fouchier staat aan de frontlinie in de strijd tegen de griep. Met nieuwe vaccins wil hij ons beschermen tegen toekomstige pandemieën.
Feringa en collega’s hebben de nanomotoren nu gebruikt om supramoleculaire systemen te bouwen die zich gedragen als menselijke spieren. Dit soort systemen bestaan uit relatief kleine moleculen, die zich onder bepaalde omstandigheden kunnen organiseren tot grotere geordende moleculaire structuren. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Chemistry.
Waterige spieren
‘Een van de uitdagingen was om een soort spiertje te bouwen dat een beetje lijkt op onze eigen spieren, ’ zegt Feringa. Het moest dus werken in een natte omgeving, zoals water. Ook moest het net als de eiwitten in onze spieren geactiveerd en gedeactiveerd kunnen worden. ‘Dat is nu voor het eerst gelukt,’ zegt Feringa.
Het team heeft in water oplosbare nanomotoren gemaakt. Wanneer ze aan de juiste omstandigheden worden blootgesteld, binden ze vanzelf aan elkaar. Zo kunnen ze vezels vormen, die zich bij blootstelling aan calciumionen verder bundelen tot een grote streng. ‘Calciumionen in je lichaam spelen een rol in de organisatie van eiwitten in je spieren, en onze vezeltjes gaan vergelijkbaar prachtig samen in grotere uitgelijnde bundels,’ zegt Feringa.
Als de streng beschenen wordt met ultraviolet licht, spannen de nanomotoren zich aan. Door de speciale organisatie van de nanomotoren, kan de minuscule streng een stukje papier van wel 400 milligram optillen. ‘Het was heel onverwacht dat het supramoleculaire systeem in staat was om zo veel kracht te leveren zonder uit elkaar te vallen,’ zegt Feringa.
Indrukwekkend is dat de streng voor maar liefst 95 procent uit water bestaat. Hierdoor kan het materiaal waarschijnlijk gemakkelijk opgenomen worden in biologische systemen. ‘We kunnen bovendien oppervlakken maken met meerdere van dit soort spiertjes, die we specifiek kunnen laten bewegen,’ zegt Feringa. ‘Onze volgende stap is om te bedenken hoe we deze techniek met andere materialen kunnen combineren’. Zo zou het bijvoorbeeld uitkomst kunnen bieden in de vooruitgang van zachte robotica.
Makkelijk afbreekbaar
Vergelijkbare vezels kunnen gemaakt worden met gebruik van polymeren. Het probleem hiervan is dat die door hun sterke moleculaire verbindingen moeilijk afbreekbaar zijn. ‘Bij supramoleculaire assemblage is er geen sprake van deze sterke verbindingen. Het is dus gemakkelijker afbreekbaar, een belangrijke doorbraak,’ zegt Feringa. ‘Dat maakt het heel spannend. We leren hiermee hoe de natuur door zelfassemblage vergelijkbare dingen maakt.’
Chemicus Dick Broer van Technische Universiteit Eindhoven is onder de indruk van de resultaten. ‘Het bijzondere is dat het systeem voor 95 procent uit water bestaat,’ zegt Broer. ‘Andere systemen zijn veelal gebaseerd op lichtgevoelige, vloeibare kristallijne polymeren, waarbij dat niet het geval is.’
De eiwitten in menselijke spieren zijn wel een stuk groter en complexer dan de moleculen die het Groningse lab gebruikt. Uiteraard is er een verschil tussen een groot en een klein motor molecuul, maar voor het principe maakt dat volgens Feringa niet veel uit. ‘Het belangrijkste is, dat we die versterking van een mechanisch effect hebben gedemonstreerd: van nano- naar micro- naar macroschaal.’
Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.
Lees verder: