Nieuwe moleculaire motoren zijn revolutionair

Tijdens zijn studie scheikunde aan de universiteit van Nanking (China) las Jiawen Chen in zijn studieboeken over de moleculaire motoren van RUG-hoogleraar organische chemie Ben Feringa. Nu verdedigt hij zijn proefschrift in Groningen, met resultaten die misschien ooit ook in de studieboeken terecht zullen komen.

‘Ik sta, zoals ze zeggen, op de schouders van reuzen’, zegt Chen bescheiden, maar de resultaten van zijn promotieonderzoek vormen een grote sprong voorwaarts in de ontwikkeling van door licht aangedreven moleculaire machines. ‘Deze onderzoeksgroep heeft ruim vijftien jaar ervaring in het werken met deze motoren.’ Toen hij in zijn studieboeken las over de moleculaire motoren wilde hij ontzettend graag promoveren bij Feringa. ‘Ik stuurde een email, kreeg de baan en moest toen eens uitzoeken waar Groningen eigenlijk lag.’

Zich aanpassen aan de Europese onderzoekcultuur ging Chen gemakkelijk af. ‘Mijn Engels was heel redelijk en tijdens mijn master onderzoekproject werd ik begeleid door een hoogleraar die een tijd in Duitsland had gewerkt, en die de Europese aanpak had overgenomen.’

Het resultaat van de afgelopen vier jaar is indrukwekkend. Een van de eerste dingen die Chen voor elkaar kreeg was de olie-achtige motormoleculen oplosbaar maken in water. Al vanaf het eerste begin, ruim vijftien jaar geleden, was het Feringa’s bedoeling zijn motoren te laten werken in een biologische (dus waterige) omgeving. Chen maakte een motor molecuul zeepachtig door er wateroplosbare groepen aan te koppelen

Vervolgens ontwierp Chen een langzaam draaiend in water oplosbaar motor-molecuul dat via zelforganisatie spontaan gesloten nanobuisjes vormde. Die buisjes kunnen veranderen in blaasjes door de motoren met licht te activeren, en weer terug in buisjes door ze te verwarmen. Zo wist hij als eerste de vorm van een nanostructuur te veranderen met behulp van een moleculaire motor. Dat opent de weg naar toepassingen zoals het opslaan en afleveren van stoffen.

Vervolgens koppelde Chen aan de moleculaire motor een stijve ‘peddel’, zodat er een door licht aangedreven nano-roerstaafje ontstond. Door peddels met verschillende lengte en stijfheid te gebruiken kon Chen meten op welke manier de kinetiek en thermodynamica bepalen hoeveel vloeistof de roerstaaf in beweging zet. Deze nano-roerstaaf is wellicht bruikbaar om ingrediënten in een lab-op-een-chip te mengen of om opgeloste materialen te verplaatsen, zelfs tot in cellen.

Het zichtbaar maken van de beweging van één enkele moleculaire motor is een hele uitdaging. Nadat hij een fluorescente groep met behulp van een lang ‘tussenstuk’ op de motor had gezet en de motor vervolgens vast op een oppervlak verankerde, kon Chen met behulp van single molecule technieken de draaibeweging waarnemen, opnieuw als eerste in dit veld. Het experiment met een kleine, synthetische motor is een herhaling van een inmiddels klassiek experiment waarbij de draaibeweging van een natuurlijke motor, het ATPase eiwitcomplex (dat de universele biologische brandstof ATP produceert), zichtbaar is gemaakt.

Wanneer je het zo leest klinkt het misschien allemaal vrij eenvoudig, maar de synthese van één van de motormoleculen bestond uit maar liefst 34 stappen. En Chen moest dan ook nog eerst uitzoeken welke stappen werkten. ‘Soms lukte iets niet en moest ik de synthetische route die ik had bedacht aanpassen.’ En niet iedere stap kwam even soepel tot stand. ‘Maar’, lacht hij ‘ik heb mijn vaardigheden in chemische synthese goed kunnen ontwikkelen.’

Volgens Ben Feringa luidt het onderzoek van Chen een nieuw tijdperk in: ‘We kunnen nu een motor zelf ontwerpen en bouwen, de beweging zichtbaar maken, er ten dele natuurlijke motorsystemen mee nabootsen en de motoren vastzetten op een oppervlak. Dat geeft ons allerlei mogelijkheden om slimme materialen en slimme oppervlakken te maken.’ Publicaties van Chen trok eerder al de aandacht van de internationale pers.

Dus wie weet komt het werk van Chen ook wel in de studieboeken te staan en zal het een nieuwe generatie studenten prikkelen! Hij blijft zelf in Groningen werken als postdoc. Behalve het onderzoek is er nog een meer persoonlijke reden die hem hier houdt: hij is net vader geworden, dus het is geen goede tijd voor een verhuizing. De geboorte van zijn zoon vormde ook de inspiratie voor een van de stellingen bij zijn proefschrift: ‘My son is the best synthesis so far in my life. And now I have begun to raise my son myself, I am starting to realize more and more how great my parents are.’

Jiawen Chen verdedigt zijn proefschrift ‘Advanced Molecular Devices Based on Light-driven Molecular Motors’ op 30 januari om 11:00 in de Martinikerk.

Het onderzoek vond plaats binnen het Stratingh Institute for Chemistry, Rijksuniversiteit Groningen. Lees meer over de  bachelor en master opleidingen in Scheikunde.

De RUG bracht eerder een persbericht uit over dit onderzoek.