Wat we eerder niet konden meten: het plakgedrag van moleculen

Bij het bouwen met moleculen is het van belang te weten hoe ze onderling aan elkaar plakken bij bijvoorbeeld het ontwerpen van capsules voor het vervoer van medicatie in het lichaam. Hoe kan je immers een auto monteren als je niet weet hoe de onderdelen werken? Onderzoekers van de TU Eindhoven maken het nu mogelijk om te meten hoe snel kleine moleculen (monomeren) loskomen uit een groter moleculair geheel (polymeer) zonder de beweging van de monomeren te beïnvloeden. Vandaag publiceren biomedisch ingenieur René Lafleur, dr. Xianwen Lou, prof. Bert Meijer en collega’s hierover in Nature Communications.

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 (ook een type polymeren), ‘hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry (HDX-MS)’, tevens gebruikt kan worden voor het bestuderen van supramoleculaire polymeren. 

Bouwen met moleculen

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 stamcel therapie.

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.

Beweging 'in beeld'

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.

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 HDX-MS-techniek wordt nu zelfs de invloed van kleine verschillen in molecuulgrootte op de beweeglijkheid van de moleculen meetbaar.

Referentie

Xianwen Lou et al., Dynamic diversity of synthetic supramolecular polymers in water as revealed by hydrogen/deuterium exchange, Nature Communications (15 mei 2017).
DOI: 10.1038/NCOMMS15420.

Ir. René Lafleur

René Lafleur studeerde Biomedische Technologie aan de Technische Universiteit Eindhoven. Na het cum laude afronden van zijn Bachelor, liep hij stage aan het California Institute of Technology in de groep van Prof. Dr. David A. Tirrell, en ontwikkelde hij kunstmatige extracellulaire matrix-eiwitten voor hydrogels. Tijdens zijn afstudeeronderzoek in de groep van Prof. Dr. E.W. (Bert) Meijer richtte hij zich op de synthese van supramoleculaire bouwstenen met enzymen. Na het ontvangen van zijn Masterdiploma in 2013 startte hij zijn promotieonderzoek onder supervisie van Prof. Meijer, en raakte gefascineerd door de kinetiek van supramoleculaire polymeren.

Dr. Xianwen Lou

Xianwen Lou behaalde zijn MSc diploma aan het Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Science in 1988 onder begeleiding van Prof. L. Zhou. Vervolgens promoveerde hij aan de Technische Universiteit Eindhoven in 1997, waar hij onderzoek deed onder begeleiding van Prof. Dr. C.A. Cramers en Dr. H.-G. Janssen. In 1998 werkte hij als postdoctoral fellow in het Energy and Environmental Research Center aan de University of North Dakota met Dr. S.B. Hawthorne. Daarna keerde hij terug aan de Technische Universiteit Eindhoven om in de groep van Prof. Dr. Meijer te werken. 

Prof.dr. Bert Meijer

Bert Meijer is Universiteitsprofessor in de Moleculaire Wetenschappen, Professor van Organische Chemie aan de Technische Universiteit Eindhoven en wetenschappelijk directeur van het Instituut voor Complexe Moleculaire Systemen. Na het ontvangen van zijn doctoraat aan de Rijksuniversiteit Groningen, werkte hij 10 jaar in de industrie (Philips en DSM). In 1991 werd hij aangesteld in Eindhoven, waar hij meer dan 80 promovendi begeleidde. Ook heeft hij deeltijdaanstellingen in Nijmegen en Santa Barbara (CA). Meijer is lid van verschillende redactionele adviesraden, inclusief Advanced Materials, Angewandte Chemie en de Journal of the American Chemical Society. Bert Meijer heeft meerdere prijzen in ontvangst mogen nemen, inclusief de Spinozaprijs in 2001, de ACS Award for Polymer Chemistry in 2006, de AkzoNobel Science Award 2010, de Cope Scholar Award van de ACS in 2012, de Prelog medal in 2014 en de Nagoya medal in 2017. Hij is lid van verschillende academies en genootschappen, inclusief de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen, waar hij werd aangesteld als Akademie-professor in 2014.