Van spaghettislierten naar haarspelden

Van spaghettislierten naar haarspelden

Heb je je weleens afgevraagd waarom verf uit een net geopende pot dunner wordt wanneer je erin roert? Het geheim van dit soort polymeeroplossingen zit hem in het uiteenvallen van verstrengelde polymeren, die wel wat weg hebben van een bord spaghetti. Amsterdamse fysici legden de verandering in polymeerdraden voor het eerst vast in 3D.

In veel alledaagse materialen zoals verf en tandpasta zitten polymeren, lange ketens van aaneengeschakelde moleculen. Het handige is dat roeren in een polymeervloeistof het spul dunner maakt. Neem bijvoorbeeld verf. Ongebruikt in de pot zijn de polymeren met elkaar verstrengeld tot een stevig netwerk, vergelijkbaar met een bord spaghetti, waardoor de verf vrij dik is.

Door de oplossing te roeren of uit te smeren, ontstaat een stroming die de kluwen spaghettislierten opbreekt. Vooral bij een hoge stroomsnelheid neemt de stroperigheid van de oplossing sterk af: hoe sneller je roert, hoe dunner het materiaal wordt. Natuurlijke polymeren in levende cellen vertonen hetzelfde gedrag als de polymeren in verf.

Waarom polymeren zulk gedrag vertonen was nooit echt duidelijk. “De theorie was wel bekend, maar het proces was nog nooit gevisualiseerd”, zegt biofysicus Gijsje Koenderink van het Amsterdamse FOM-instituut. Tot nu. Koenderinks onderzoeksgroep bracht samen met hun collega’s in Duitsland de polymeerdraden in beeld op het moment dat de vloeistof begint te stromen. Het onderzoek staat deze week in Nature Communications.

De rust verstoren

Een levende cel is eigenlijk ook een polymeeroplossing. De vloeistof binnenin bevat allerlei langdradige eiwitten, waaronder actinevezels: biologische polymeren die cellen hun stevigheid geven. Doordat motoreiwitten over dit netwerk van vezels ‘lopen’, komt de celvloeistof in beweging en ontstaat er stroming.

Koenderink en haar collega’s gebruikten actinevezels als model om het gedrag van polymeren in vloeistof te onderzoeken. Zij gebruikten actine-eiwitten uit biologische cellen, die ze oplosten in water. “In water komen de eiwitten spontaan samen om langere vezels te vormen”, legt Koenderink uit. Die vezels merkten de onderzoekers vervolgens met een fluorescente kleurstof.

“De stroming brachten we op gang door de oplossing tussen twee glazen plaatjes te gieten. Door de platen tegen elkaar in te draaien komt de vloeistof in beweging”, legt Koenderink uit. Veranderingen in vorm van de individuele polymeerdraden legden ze vast in 3D met een fluorescentiemicroscoop.

In rust bleken de actinevezels sterk met elkaar verstrengeld tot een stevig netwerk. Maar stroming verstoorde die rust: de spaghettislierten uit de kluwen veranderden in haarspeldachtige structuren. De haarspelden maakten zich van elkaar los en waren vrij om over elkaar te glijden. Koenderink: “Bij stroming liggen de polymeerdraden in één vlak als laagjes die over elkaar heen glijden, in plaats van dat ze verknoopt liggen. Dat maakt de oplossing dunner.”

Duurzame verf

De resultaten helpen om biologische processen zoals stroming van de vloeistof binnen in de cel beter te begrijpen. Koenderink: “Dankzij die acties van moleculaire motoreiwitten kunnen de actinevezels in een cel langs elkaar schuiven. Daardoor ontstaat stroming in het cytoplasma die celonderdelen en voedingstoffen aanvoert.”

Het is bekend dat deze stroming in ieder geval optreedt in bepaalde grote cellen zoals die van sommige dierlijke embryo’s en sommige plantencellen. Of andere cellen hier ook van dit proces gebruikmaken, is onduidelijk. Koenderink: “Wij hopen met deze ontdekking vooral meer inzicht te krijgen in de functies van de cel.”

Bron:

Inka Kirchenbuechler e.a., ‘Direct visualization of flow-induced conformational transitions of single actin filaments in entangled solutions’, Nature Communications, online publicatie op 9 oktober 2014.

Dit nieuwsbericht verscheen 10 oktober 2014 op Kennislink

Reageer