'Het bouwen van een molecuul is pure kunst'

Crenarchaeol is een groot, lusvormig lipide molecuul dat aanwezig is in de celmembraan van bepaalde soorten archaea, eencelligen die in grote aantallen voorkomen in de oceanen. In vergelijking met andere lipiden uit archaea-membranen is crenarchaeol zeer complex. Tot nu toe is het daarom niet gelukt de structuur ervan te bevestigen door het hele molecuul in het lab na te maken. Chemici van de RUG hebben deze uitdaging opgepakt en ontdekten dat de structuur zoals die in de literatuur staat grotendeels juist is – maar niet helemaal.

Crenarchaeol bevat 86 koolstofatomen die samen een grote, gesloten lus vormen. Niet minder dan 22 koolstofatomen hebben een zogeheten chirale structuur. Ze kunnen twee vormen hebben die elkaars spiegelbeeld zijn, net als een linker- en rechterhand. In crenarchaeol hebben alle 22 chirale centra hun eigen specifieke ‘handvorm’. Bovendien bevat het molecuul nog een heel ongebruikelijke cyclohexaangroep.

Uitdaging

Dit complexe molecuul is in 2002 voor het eerst geïsoleerd door Jaap Sinninghe Damsté en collega’s van het Nederlandse instituut voor zeeonderzoek NIOZ. Zij gebruikten spectroscopische technieken om de structuur te achterhalen, alleen zijn hun resultaten nooit bevestigd. Dit is verrassend, want de archaea met dit lipide-molecuul spelen een sleutelrol in de stikstofcyclus van de oceanen. Bovendien is fossiel crenarchaeol, samen met andere lipiden, in gebruik om de temperatuur van zeewater in het verre verleden te bepalen. ‘De structuur van crenarchaeol is een grote uitdaging voor de synthetische organische chemie’, zeg Adri Minnaard, hoogleraar Organische Chemie aan de RUG. ‘En wij besloten de handschoen op te pakken.’

De eerste stap was om drie milligram van de natuurlijke stof te isoleren en te zuiveren. Dat gebeurde op het NIOZ en duurde drie maanden. Er zit maar 0,000000001 gram crenarchaeol in een cel, maar omdat er zoveel van deze cellen in de oceaan leven en het molecuul zeer stabiel is zodat het zich gedurende miljoenen jaren heeft opgehoopt in het sediment, is het vermoedelijk een van de meest voorkomende organische moleculen op de oceaanbodem.

Mount Everest

Het maken van crenarchaeol is nogal lastig. Een probleem is dat alle 22 chirale centra de juiste ‘handvorm’ moeten hebben. ‘Ook bevat het molecuul een heleboel verbindingen tussen koolstofatomen, die heel lastig te maken zijn.’ Maar die problemen zijn voor synthetisch chemici juist onweerstaanbaar – zoals Mount Everest voor een ambitieuze bergbeklimmer. Minnaard liet de vermoedelijke structuur zien aan zijn promovenda Mira Holzheimer, die werkte aan palladium-gekatalyseerde synthetische reacties. ‘Haar letterlijke reactie was: Die berg wil ik beklimmen.’ Samen maakten ze een plan van aanpak, waarvoor ze het molecuul eerst op papier uit elkaar haalden in bouwstenen die zijn te synthetiseren. Op deze manier kregen ze een mogelijke route voor de synthese van crenarchaeol, die Holzheimer vervolgens ging verkennen.

Maar net zoals bij bergbeklimmers op een nieuwe route, bleken sommige paden voor Holzheimer dood te lopen. Dan moest ze een stuk terug om een nieuw pad te proberen. ‘Je begint met enkele grammen van je grondstoffen. Maar in elk van de 65 tussenstappen verlies je wat materiaal, soms wel de helft. En wanneer je daardoor geen materiaal hebt om verder te gaan, moet je weer terug naar het begin’, legt Minnaard uit.

Schok

Na drie jaar hard werken had Holzheimer een groot stuk van het molecuul gemaakt, ongeveer de helft van de lus. Minnaard: ‘Op dat punt besloten we dit te vergelijken met hetzelfde stuk uit het natuurlijke crenarchaeol.’ Dat gebeurde met behulp van gaschromatografie en spectrometrie. De vergelijking is uitgevoerd op het NIOZ en toen de resultaten binnenkwamen was dat nogal een schok: ‘We hadden het juiste koolstofskelet gebouwd, maar het chromatografische gedag was niet hetzelfde als van het natuurlijke crenarchaeol. Er was iets mis’, vertelt Minnaard.

Nadat ze twee dagen lang alles gecontroleerd hadden, kwamen Minnaard en Holzheimer tot de conclusie dat ze toch echt de beschreven structuur hadden gemaakt. En aangezien die niet overeenkwam met natuurlijke crenarchaeol kon dat maar één ding betekenen: de gepubliceerde structuur klopte niet. De resultaten wezen op een fout in het chirale centrum in de ongebruikelijke cyclohexaangroep. ‘Onze collega’s bij het NIOZ hebben een van de 22 chirale centra verkeerd voorspeld.’ Berekeningen van de spectra van natuurlijk en gesynthetiseerd crenarchaeol door professor Remco Havenith (RUG en Universiteit van Gent) en dr. Ana Da Cunha (Vrije Universiteit Brussel) ondersteunen de correctie in de structuur. Minnaard: ‘Dit toont de waarde van synthetische chemie: het maken van een voorgestelde structuur is de gouden standaard voor validatie ervan.’

Gereedschapskist

Het bouwen van een complex molecuul zoals crenarchaeol levert ook nog allerlei extra’s op: ‘We moesten een aantal nieuwe synthetische technieken ontwikkelen die nu dus in de gereedschapskist voor organische synthese zitten.’ Bovendien is het hebben van de juiste structuur belangrijk voor wetenschappers die de celmembraan van archaea bestuderen. Dat gebeurt meestal met behulp van moleculaire dynamica simulaties, legt Minnaard uit, en daarvoor heb je de juiste structuur nodig die er nu dus is. Maar zulke nuttige extraatjes zijn niet de belangrijkste motivatie voor Minnaard om dit soort projecten op te pakken. ‘Het hoeft niet altijd nuttig te zijn. Voor mij is het bouwen van moleculen pure kunst.’

Referentie: Mira Holzheimer, Jaap S. Sinninghe Damsté, Stefan Schouten, Remco W. A. Havenith, Ana V. Cunha, Adriaan J. Minnaard: Total Synthesis of the Alleged Structure of Crenarchaeol Enables Structure Revision, Angewandte Chemie, online 11 juni 2021.