Een automonteur moet kennis hebben van de onderdelen voordat hij een auto in elkaar kan zetten. Ditzelfde geldt voor het ‘bouwen’ met moleculen; hierbij kan je denken aan het maken van capsules om medicijnen te vervoeren in het menselijk lichaam of het maken van een medische hydrogel voor lokale afgifte van medicatie en stamceltherapie.

Monomeren vormen polymeren
Dergelijke capsules of materialen worden vaak gemaakt van polymeren; deze polymeren zijn opgebouwd uit kleinere bouwstenen, zogenaamde monomeren. Bij zelf-assemblerende moleculen vormen deze monomeren uit zichzelf polymeren, bijvoorbeeld in de vorm van lange draden of kleine bolletjes waarin medicatie kan worden vervoerd.

In deze zelf-assemblerende, supramoleculaire polymeren zitten de monomeren niet aan elkaar vast, maar plakken ze licht aan elkaar. Dit geeft de monomeren de ruimte om het polymeer te verlaten en er weer terug in te gaan. De temperatuur of zuurgraad (pH) van de omgeving heeft invloed op deze beweeglijkheid (hoe gemakkelijk ze in en uit het polymeer gaan). Deze afhankelijkheid van temperatuur en pH is onder meer van belang wanneer onderzoekers of fabrikanten capsules willen inzetten in het menselijk lichaam, waar pH en temperatuur niet overal gelijk zijn.

Deuterium in plaats van kleurstof
De beweging van moleculen wordt veelal gemeten door een kleurstof aan het molecuul te koppelen. Echter, de kleurstof is groot in verhouding tot het molecuul, waardoor het de beweging beïnvloedt. Promovendus Lafleur heeft nu, samen met collega Xianwen Lou, aangetoond dat de techniek die gebruikt wordt voor het bestuderen van het vouwen van eiwitten, tevens gebruikt kan worden voor het bestuderen van supramoleculaire polymeren.

Hoe werkt het? Nadat de in water opgeloste monomeren aan elkaar zijn gaan plakken en zo een polymeer gevormd hebben, lossen de onderzoekers ze op in zwaar water. De monomeren die loskomen uit het polymeer komen in aanraking met het deuterium in het zware water, waardoor een waterstofatoom vervangen wordt door een deuteriumatoom, dat net iets zwaarder is. Dit extra gewicht is echter ongeveer 450 keer zo klein als de op dit moment gebruikte kleurstof, waardoor het extra gewicht de beweging niet beïnvloedt.

Kleinere bewegingen worden meetbaar
De kleine massaverandering wordt door Lou en Lafleur gedetecteerd en is ook meetbaar wanneer het monomeer weer opnieuw een plaats heeft ingenomen in het polymeer. De snelheid waarmee de monomeren in massa toenemen is dus een maat voor de snelheid waarmee monomeren uit het polymeer komen.

Bijzonder aan de onderzoeksresultaten is dat veel monomeren al binnen enkele minuten het polymeer verlaten en dus in massa toenemen, terwijl anderen daar uren of dagen voor nodig hebben. Daarnaast hebben de onderzoekers aangetoond dat een kleine verandering in de grootte van het monomeer invloed heeft op de beweging. Grotere monomeren blijven langer in het polymeer zitten en komen minder snel in beweging dan kleinere monomeren. Deze verschillen waren eerder niet meetbaar omdat de gebruikte kleurstofmoleculen te groot zijn; met de nieuwe techniek wordt nu zelfs de invloed van kleine verschillen in molecuulgrootte op de beweeglijkheid van de moleculen meetbaar.

Bron: Persteam TU/e