Polymeer verliest eigen wil door ‘klittenband’

Polymeer verliest eigen wil door ‘klittenband’

De bouwstenen van een polymeer laten luisteren zodat ze op de plek gaan liggen die jij wil. Chemici van de Technische Universiteit Eindhoven vonden in DNA, dat zich op klittenbandachtige wijze vastplakt aan het polymeer, een hulpmiddel om dat te doen. De inspiratie kwam van de manier waarop een celmembraan zichzelf organiseert.

Geïnspireerd door het beweeglijke celmembraan maakte de onderzoeksgroep van de TU/e, met aan het hoofd hoogleraar organische chemie Bert Meijer, een polymeerwaarvan de structuur zich laat controleren. Dat was eerder nog nooit zo goed gelukt. Het geheim zit hem in bindingen met DNA die zich ook weer los laten trekken. Net als klittenband. In het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences beschreven ze een tijdje terug hun beheersbare polymeer.

Vlot op zee

Het is de meest fascinerende eigenschap van levende cellen: de controle over welk proces waar en wanneer verloopt. Neem het celmembraan. Dat is een wirwar van wel duizenden eiwitten en vetachtige moleculen. Toch weten al deze bouwstenen hoe ze in elkaar moeten schuiven om een werkend celmembraan te vormen.

De onderdelen zijn ongeveer gelijk over het membraan verspreid. Maar er zijn een paar specifieke eiwitten en vetten, waaronder cholesterol, die op meerdere locaties in het membraan samenhopen en als platformpjes vrij door het celmembraan drijven. Een beetje zoals vlotten op zee. De plek van deze platforms ligt niet vast doordat de onderdelen zichzelf voortdurend monteren en demonteren. Die steeds weer veranderende samenstelling van het celmembraan heeft een cel nodig om zijn taken, zoals signalen versturen, groeien, delen, goed uit te voeren. Wetenschappers willen de controle over welke bouwsteen waar terechtkomt maar wat graag begrijpen.

Een positieve wending

Het lukte de Eindhovenaren om die platformpjes na te maken. “En dat is een grote stap”, zegt onderzoeker Lorenzo Albertazzi. “Want wat je niet kan maken dat begrijp je niet, leerde Nobelprijswinnaar Richard Feynman ons.” Albertazzi en zijn collega’s ontwierpen een polymeer waarbij ze controle hadden over de locatie van de bouwstenen. Normaal gesproken klitten de bouwstenen van het polymeer samen in water vanwege de hydrofobe groep die erin zit. Waar welke bouwsteen belandde was voorheen niet te voorspellen en niet aan te passen. “Normaal gesproken is een polymeer statisch: zodra je hem bouwt verandert de structuur niet meer, legt Albertazzi uit aan de telefoon. Maar dat veranderde door een sliert DNA bij het mengsel te doen.

Hoe dat werkt? De bouwstenen voor het polymeer zijn normaal neutraal. Maar het team maakte een variant van de bouwsteen met een positieve groep eraan. Meng je deze twee soorten door elkaar in water dan ontstaat het bekende polymeer. Maar die structuur verandert bij toevoeging van DNA, dat van nature negatief geladen is. De sliert DNA wikkelt zich om het polymeer en trekt de positief geladen bouwstenen naar zich toe. Zo dwingt het DNA de positieve bouwstenen als het ware een groepje te vormen in het polymeer. Ongeveer op dezelfde manier zoals platformpjes in het celmembraan zich vormen.

Het gedrag van het polymeer bleek bovendien goed te simuleren op de computer en kwam bijna exact overeen met een computermodel voor het celmembraan. Dat ontdekte collega’s uit Cambridge waarmee het team samenwerkte.

Medische toekomst

De aantrekkingskracht tussen het positieve polymeer en het negatieve DNA is een zwakke binding, maar een groot aantal zwakke bindingen kan twee oppervlakken toch sterk met elkaar verbinden. Vandaar de vergelijking met klittenband waarbij de haakjes, het DNA, zich vastgrijpen aan de lusjes, oftewel de positief geladen bouwstenen. Bovendien is de binding van DNA niet definitief maar is deze net zoals klittenband weer los te trekken. Dat lukt door een overdosis negatief geladen fosfaationen toe te voegen die de dna-sliert verdrijven van het polymeer omdat ze zelf aan de negatieve bouwstenen willen binden.

“Wij hebben een dynamisch polymeer gebouwd op een gecontroleerde manier. Al is die controle nog lang niet zo goed als in de natuur”, zegt Albertazzi erbij.

Naast dat de orde in het polymeer voor wetenschappers machtig interessante kennis is om te begrijpen hoe een celmembraan werkt, ligt er voor het materiaal ook een toekomst in de medische wereld. De sterke binding met DNA biedt mogelijkheden. Albertazzi: “Een mogelijke toepassing die we verkennen voor dit polymeer is om genetisch materiaal af te leveren in een cel, met het oog op gentherapie. Maar voorlopig zit dat er nog niet in. Want het polymeer is alleen onderzocht in water. Hoe zal het zich gedragen in een biologische omgeving? Dat is de volgende stap in het onderzoek: bekijken hoe het spul zich gedraagt in een fysiologisch oplosmiddel.

Bron:

Lorenzo Albertazzia et al., Spatiotemporal control and superselectivity in supramolecular polymers using multivalency, Proceedings of the National Acadamy of Sciences, online 8 juli 2013.

Dit nieuwsbericht verscheen 16 september 2013 op Kennislink

 

Reageer