Synthetische moleculaire motor verricht echt werk

In levende wezens zijn moleculaire motoren belangrijk bij allerlei taken, zoals het vertalen van de genetische code in eiwitten, transport van bouwstoffen door ons lichaam of de opslag van energie in de vorm van moleculen. Via een nieuwe publicatie in Nature Nanotechnology laten onderzoekers van de RUG samen met collega’s van de Freien Universität Berlin (Duitsland) zien dat een synthetische moleculaire motor ook werk kan verrichten, door een chemische reactie aan te drijven.

Michael Kathan, eerste auteur van het artikel, legt het uit: ‘We hebben een door licht aangedreven moleculaire motor ontwikkeld die twee lussen bevat. Onder normale omstandigheden zijn de lussen stabiel en niet in elkaar gedraaid: ze zijn in evenwicht.’ Maar zodra het systeem wordt beschenen met licht begint de motor te draaien en windt hij de lussen strak op. Op die manier is lichtenergie omgezet in chemische energie, wat het systeem uit evenwicht brengt. Kathan: ‘Op een zeker moment treedt er een chemische reactie op: de lus breekt heel even. Daardoor ontwinden de lussen zich vanzelf en de breuk herstelt zich, zodat we het proces kunnen herhalen. Je kunt onze machine vergelijken met zo’n klein opwindmotortje dat in speelgoed zit, maar dan aangedreven door lichtenergie.’

Biologische machine

Het project is uitgevoerd door de onderzoeksgroep Synthethische Organische Chemie onder leiding van professor Ben Feringa en de micromechanica groep onder leiding van UD Giuseppe Portale, beide onderdeel van de RUG, in samenwerking met de onderzoeksgroep voor Supramoleculaire Chemie in Berlijn geleid door professor Christoph Schalley.

Met het maken van een synthetische moleculaire motor die nuttig werk verricht door lichtenergie om te zetten in chemische energie is een grote stap gezet naar de toepassing van dit soort motoren. Energieomzetting is de basis die leven op aarde mogelijk maakt. Planten gebruiken een vergelijkbaar principe wanneer ze tijdens fotosynthese ATP te produceren, een klein molecuul dat de energiedrager is in levende cellen. Ze doen dat met behulp van een biologische machine die ATP synthase wordt genoemd. Door het ATP weer af te breken komt energie vrij waarmee andere biologische machines zijn aan te drijven, zoals de machines die ervoor zorgen dat spiervezels zich samentrekken.

Synthetische moleculaire machines lijken op hun natuurlijke evenknie: ze kunnen werk verrichten wanneer ze op de juiste manier zijn ontworpen en als de juiste energiebron aanwezig is. Het enige probleem is dat complexe systemen die verschillende typen energie in elkaar kunnen omzetten zeldzaam zijn. Het is namelijk lastig ze in het laboratorium te maken. De nieuwe experimenten zijn een flinke stap richting zo’n complex systeem. Net als bij fotosynthese met behulp van ATP synthase kunnen de in elkaar gedraaide lussen de ene vorm van energie omzetten naar een andere vorm – in dit geval lichtenergie naar chemische energie.

Unieke prestatie

Het uiteindelijke doel van dit soort onderzoek is het bouwen van een moleculaire fabriek die net zo complex is als een levende cel. Dat is niet eenvoudig, omdat de meeste chemische processen uiteindelijk een evenwichtstoestand bereiken. Een kenmerk van leven is juist dat het uit evenwicht is – pas wanneer je dood bent is je lichaam volledig in evenwicht met de omgeving. Moleculaire motoren zijn daarom belangrijk, want zolang ze de juiste energie krijgen kunnen ze bewegen zodat ze uit evenwicht blijven. En dat geldt dan ook voor de processen waar ze aan gekoppeld zijn.

‘Wat ons team hier gepresteerd heeft is heel belangrijk’, zegt Feringa. ‘In ons lichaam brengen moleculaire motoren processen uit evenwicht. Michael en de anderen laten nu zien dat een synthetische motor die is aangedreven door lichtenergie ook een chemisch systeem uit evenwicht kan houden. Dat is een unieke prestatie.’

Referentie: Michael Kathan, Stefano Crespi, Niklas O. Thiel, Daniel L. Stares, Denis Morsa, John de Boer, Gianni Pacella, Tobias van den Enk, Piermichele Kobauri, Giuseppe Portale, Christoph A. Schalley & Ben L. Feringa: A light-fuelled nanoratchet shifts a coupled chemical equilibrium. Nature Nanotechnology, 16 december 2021.