Maak 't met moleculen

Hij is een van de pioniers op het terrein van synthetische moleculaire motors. Ben Feringa houdt ervan te knutselen aan motortjes, rotortjes en schakelaars, maar dan op moleculaire schaal. ‘Waardoor het erg lastig is om te zien of wat je maakt ook echt werkt’, merkt hij op.

In 1999 presenteerde hij de eerste moleculaire motor. Zijn team had een molecuul gemaakt waarvan één deel een volledige rotatie van 360 graden kon maken. Eén zo’n omwenteling duurde een uur. ‘Nu maakt onze motor drie miljoen rotaties per seconde’, zegt Feringa. ‘Dat bereikten we na zo’n 50 nieuwe ontwerpen in een periode van tien jaar.’

Het bouwen van moleculaire motoren is geen klus voor watjes. Je kunt niet gewoon wat schroeven en moeren uit de voorraadkast halen en aan het bouwen slaan. Dit soort moleculen van ongeveer 1 nanometer (dat is een miljoenste millimeter) moet je stap voor stap in elkaar zetten met behulp van chemische reacties. En dan moet je nog bewijzen dat alles werkt zoals het is bedoeld.

‘Een van de dingen die ik met de nieuwe subsidie wil doen, is de draaibeweging zichtbaar maken’, legt Feringa uit. Hiervoor krijgt het 1 nanometer grote draaiende molecuul een arm van 10 nanometer waaraan een fluorescerend molecuul zit. ‘We werken daarbij samen met een van de wereldtoppers op het gebied van het visualiseren van losse moleculen, Johan Hofkens van de universiteit van Leuven.’

Dit soort visualisatie van de draaibeweging van een molecuul is eerder gedaan bij een natuurlijke motor, het enzym ATPase. ‘Maar dat is een eiwitcomplex, veel groter dan ons molecuul. Ons doel is te laten zien dat we een synthetisch equivalent hiervan kunnen maken en om de krachten die deze motor uitoefent te meten.’

Maar waarom gebruikt Feringa niet gewoon de motoren die de natuur al heeft gemaakt? Hij verwijst naar een uitspraak van de natuurkundige Richard Feynman: wat ik niet kan maken, kan ik niet begrijpen. ‘Ik wil weten hoe moleculaire machines werken en net als Feynman geloof ik dat de beste manier om dat begrijp te krijgen is door ze zelf te bouwen.’ Ook al duurt dat vele jaren.

‘Daarom ben ik zo blij met de nieuwe subsidie. Die is bedoeld voor echt fundamenteel onderzoek, dus we kunnen het gebruiken om te bestuderen hoe onze motoren werken. Met het geld kan ik drie of vier promovendi aanstellen om dat uit te zoeken.’

Een tweede project dat Feringa met behulp van de TOP-subsidie wil aanpakken is het ontwerpen van een nieuwe moleculaire auto. In 2011 haalde Feringa met zijn team de voorpagina van het wetenschappelijke tijdschrift Nature met de eerste moleculaire ‘four-wheel drive’ auto ter wereld. Dit autootje was gemaakt van vier afzonderlijke motormoleculen, werd aangedreven door licht en bewoog zich voort over een oppervlakte van koperatomen.

‘We konden het in een bepaalde richting zetten en dan vooruit laten rijden’, zegt Feringa. ‘Maar nu willen we meer. We willen een autootje dat een soort weg kan volgen, op de manier waarop transport in levende cellen verloopt.’

De vier-wiel aandrijving gaat hij vervangen door een model waarbij twee moleculaire motoren komen te hangen aan een frame dat ook een lading kan meenemen. ‘Bovendien moet deze nieuwe auto onder normale omstandigheden werken, en niet alleen onder hoog-vacuüm zoals onze eerste auto.’

Het bouwen van zo’n transportsysteem vraagt om een delicate balans tussen de binding aan de ‘weg’ en het vermogen zich te verplaatsen. ‘Als de auto te sterk vastzit aan de weg, komt hij niet van z’n plaats. Maar een te losse binding en het autootje wordt weggeblazen door de Brownse storm.’ Op moleculair niveau is de Brownse beweging, de willekeurige beweging van moleculen, een kracht om rekening mee te houden.

Natuurlijke transportmechanismen hebben deze balans al geperfectioneerd. ‘Daar hadden ze dan ook miljarden jaren van evolutie voor’, zegt Feringa. Zo bekeken hoeft hij zich er niet voor te schamen wanneer zijn groep een paar jaar nodig heeft om dit te bereiken.

De motoren en de auto die hij wil maken vormen het begin van een ontwikkeling. ‘Net als de eerste transistor die ooit is gebouwd, of het eerste vliegtuig van de gebroeders Wright. Die lijken in niets op de transistors in moderne elektronica, of op een modern verkeersvliegtuig.’

Maar nogmaals, als de natuur dit soort machientjes al heeft geperfectioneerd, waarom dan zelf gaan sleutelen? ‘De manier waarop de natuur vliegt, is die van een vogel. Maar onze vliegtuigen vliegen op basis van heel andere principes, en dat doen ze prima.’ Simpelweg de natuur kopiëren levert niet altijd de beste oplossingen voor wat wij willen bereiken. Aan welke toepassingen denkt Feringa eigenlijk voor zijn moleculaire motoren?

De toekomst voorspellen is altijd moeilijk. Toch lijken een paar toepassingen redelijk dichtbij te zijn. ‘We werken aan een eiwitcomplex dat poriën vormt in blaasjes. Die poriën kunnen we openen en sluiten met behulp van een moleculaire schakelaar die op licht reageert’, legt Feringa uit. De blaasjes kunnen bijvoorbeeld een geneesmiddel bevatten, dat door een lichtpuls op de juiste plek vrijkomt.

Hij wil synthetische motoren ook vastmaken aan DNA en eiwitten. Door zo’n motor te activeren, verandert de vorm en daarmee de werking van het molecuul dat er aan vast zit. ‘Op den duur zouden we zo biologische processen kunnen controleren.’

Een opvallend voorbeeld is onlangs gepubliceerd door Canadese wetenschappers, die een dergelijk systeem gebruikten om neurotransmissie in zebravissen te controleren. ‘Zij kunnen de motorische neuronen, die de spieren aansturen, uitzetten. Op die manier kunnen ze de vis letterlijk stilzetten. Dat is fascinerend.’

Zwaartekracht

Dit najaar is een ‘Zwaartekracht’ subsidie van 29,6 miljoen euro toegekend aan een consortium van wetenschappers (onder de naam ‘Research Center for Functional Molecular Systems’) verbonden aan de universiteiten van Nijmegen, Eindhoven en Groningen. Ben Feringa is RUG-coördinator voor dit project en een van de zes Groningse teamleden. De andere vijf stafleden van de RUG zijn Gerard Roelfes, Suzy Harutyunyan, Wesley Browne, Sijbren Otto en Anna Hirsch.

‘Het doel van ons project is het bestuderen van supramoleculaire chemie, de chemie van complexe systemen die zich bevinden op de grens tussen levende en levenloze materie’, legt Feringa uit. Onderdeel van het project is onderzoek naar chemische evolutie, die vooraf moet zijn gegaan aan Darwiniaanse evolutie. ‘We willen weten hoe processen zoals zelf-assemblage en zelf-replicatie verlopen. Uiteindelijk kan dat leiden tot compleet nieuwe materialen die bijvoorbeeld zichzelf kunnen repareren.’

Maar het project is vooral bedoeld om fundamentele vragen te beantwoorden. ‘Dat is ontzettend spannend. Laten we wel zijn, de vraag hoe het leven op onze planeet, ons eigen begin dus, kan zijn ontstaan is een heel grote vraag.’

Het nieuwe onderzoekscentrum bouwt voort op een samenwerking tussen de betrokken groepen die al ruim twintig jaar geleden is begonnen. ‘Die groepen behoren elk afzonderlijk al tot de wereldtop op het terrein van supramoleculaire chemie. Toch zijn we trots dat we deze subsidie hebben binnengehaald, want de competitie was moordend. Fondsen voor fundamenteel onderzoek zijn niet meer zo gemakkelijk te krijgen. Dit geld stelt ons in staat om zes tot acht promovendi aan te stellen alleen al aan de RUG.’

Er zijn dit najaar in totaal zes Zwaartekracht subsidies toegekend, op 48 voorstellen.