Scheikundigen verdringen zich rond het
raadsel van het leven
Katalyse/Henk Klomp
Illustraties/Engel Vrieling
Foto's/Bart van Overbeeke
Stop mineralen in een reageerbuis en wacht ... Het duurt
misschien wel even -om precies te zijn al snel miljarden jaren-
maar waarschijnlijk ontstaat dan iets dat je leven kunt noemen.
Ooit vormden zich immers slimme clusters van moleculen uit 'dode'
materie die zichzelf leerden vermenigvuldigen: de cel.
Zelforganisatie en zelfreplicatie van moleculen in de reageerbuis
zijn dan ook al een tijdje de heilige graal voor scheikundigen.
 "Onze
huidige chemische industrie", zegt prof.dr. Rutger van
Santen, rector magnificus van de TU/e en initiator van de
top-onderzoekschool Katalyse, "is primitief als je ziet wat
de allersimpelste cel kan. De industrie maakt al snel tien keer
zoveel afval als het product waar het om te doen is, de cel
nauwelijks. Sommige katalysatoren in de cel werken een miljoen
keer preciezer dan de allerbeste kunstmatige. En in de fabriek
moet vaak bij hoge temperatuur, druk en zuurgraad worden gewerkt,
terwijl de cel al werkt bij kamertemperatuur, normale druk en in
neutraal water."
Daarom moeten de Nederlandse scheikundigen volgens Van Santen
vaker meekijken over de schouders van de moleculair biologen.
Sterker nog, de toponderzoekschool Katalyse, goed voor 43 miljoen
en een samenwerkingsverband tussen zes universiteiten naast de
TU/e, moet terug naar de natuur. Recent kozen de scheikundigen
eensgezind voor meer biologisch geïnspireerde chemie. In de
school werken zowel organische scheikundigen, ontwerpers van
homogene katalysatoren (katalysatoren die gewoon tussen de
deeltjes in de gassen en vloeistoffen zitten) als bedenkers van
heterogene katalysatoren (katalysatoren in een poeder of op een
oppervlakte waaraan deeltjes adsorberen) samen.
"Onze droom is een kunstmatige cel", zegt Van Santen.
"Belangrijk daarvoor is een 'mal' die zichzelf kan
vermenigvuldigen. De mal bepaalt de structuur van kristallen met
hele kleine poriën."
Bij die kristallen denkt Van Santen vooral aan de poreuze poeders
van kiezel (silica) die soms metaaldeeltjes bevatten, de zogeheten
zeolieten. Zeolieten -Grieks voor kokende steen- ontlenen hun naam
aan het verschijnsel dat ze gaan stomen als je ze opwarmt. Het
water dat erin zit, verdampt dan. Zeolieten zijn een soort
moleculaire zeven. Ze kunnen alcohol in benzine omzetten, water
ontharden, zuurstof en stikstof uit lucht vangen en het
octaangetal van benzine opvoeren. "Ze zijn keihard en tegen
hitte, hoge druk en zuurgraad bestand", zegt Van Santen.
"Daarom zijn ze bruikbaar in fabrieken, maar zitten ze ook in
waspoeder. Met goede zeolieten kan de 'stofwisseling' van de
maatschappij steeds meer gaan lijken op die van een cel: zuinig en
minder vervuilend."
 Voorsprong
Ondertussen hebben scheikundigen en biologen in Eindhoven en
Groningen al een voorsprong genomen op de nieuwe wending van de
scheikundigen. Ze laten zich inspireren door de natuur bij het
maken van mallen. Hard materiaal dat 'zeeft' en vanuit het
piepkleine groeit op een mal, maakt de natuur namelijk in
overvloed. Botten en schelpen zijn hier voorbeelden van.
"Vooral natuurlijk silica is zeer bruikbaar voor de
industrie", vertelt dr. Engel Vrieling van de
Rijksuniversiteit Groningen. "Dat lijkt veel op nieuwe
zeolieten van het zogeheten MCM-type. Het natuurlijke silica is
superieur aan wat de mens kan maken: de poriën, groeven en
kanalen zijn veel regelmatiger. Bovendien maakt de natuur 'zeven'
met poriën uiteenlopend van enkele nanometers tot micrometers. De
industrie komt met een ingewikkeld geheim recept niet verder dan
één type met poriën tussen één en acht nanometer."
Silica (chemische formule SiO2) is het hoofdbestanddeel van
kwarts, zand, zandsteen, klei en graniet. Ook verf, rubber, glas,
tandpasta en wasmiddel zit vol met silica. Goede silica-zeven
kunnen tot veel betere katalysatoren in de chemische industrie
leiden. Bij Antarctica ligt een honderd meter dikke laag silica op
de bodem, een hoeveelheid waarvan de chemische industrie alleen
zou durven dromen. Erg bruikbaar is dit echter voor de industrie
niet door de tand des tijds: andere mineralen hebben zich er mee
vermengd en een deel loste weer in het zeewater op.
De natuurlijke fabriekjes van silica zijn zogeheten diatomeeën,
eencelligen die in meren, rivieren, zeeën en oceanen onder de zon
groeien (het 'gras van de zee'). Ze vormen een vreemde 'eend' in
de evolutie-bijt. Kozen bijna alle andere organismes voor kalk als
'skeletstof', de diatomeeën schermen zich van hun omgeving af in
een doosje van silica. De algjes maken het silica uit in water
opgeloste monomeren die door de cel worden opgenomen.
"We willen de mallen van de algjes vinden en kunstmatig
namaken", zegt dr.ir. Theo Beelen van de Technische
Universiteit Eindhoven. "Je zou natuurlijk ook gewoon massa's
diatomeeën kunnen kweken en daaruit het silicapoeder kunnen
zuiveren. Echter, doe je het zo, dan kost het al snel tienduizend
gulden per gram; de industrie heeft kilogrammen nodig voor een
paar gulden."
 Bouwstenen
Met röntgenstraling uit de synchroton in Grenoble ontdekten de
onderzoekers al hoe een aantal cruciale stoffen uit de algencel
werkt. Deze stoffen werden gedestilleerd uit de celwand. "Je
moet je bij de 'mal' geen plaat voorstellen met gaatjes en
bobbels, waar silica geordend op gaat zitten", vertelt TU/e-onderzoeker
Qianyao Sun. "Dat is ook wel logisch, want de
verantwoordelijke organische stoffen zijn al snel honderd keer zo
klein als de bouwstenen van het silica. De diatomeeën gebruiken
een soort micellen, conglomeraten van macromoleculen, waarop het
silica mineraliseert. Ten dele lossen deze in water op, ten dele
zijn ze vast. We ontdekten twee delen in het micel waar zulke
scheiding van fase optreedt."
Beelen bootste het proces ondertussen in het laboratorium na. Dat
heeft al het een en ander opgeleverd. "De geheime recepten
uit de industrie lijken toch een beetje op 'bij volle maan drie
rondjes om de kerk maken en vervolgens bidden'", vindt Beelen.
"We bootsen die fase-scheiding na met het goedkope plastic
PEG -het centrale bestanddeel van bind-weefsel- gemengd met een
waterafstotende stof. Stoppen we dit bij opgelost silica, dan
ontstaan een soort geldruppels met daarin het harde silica. Zo
krijgen we al een variëteit aan silicapoeders die verschillen in
poriestructuur. Stel je de concentraties iets anders in, dan krijg
je hele andere structuren."
"Zo maakten we bijvoorbeeld holle kogels van silica waar
precies een geneesmiddel in past", gaat Sun verder.
"Allemaal even groot en in één processtap. De kogels kun je
op een bepaalde plek in het lichaam laten openspringen, zodat je
bijwerkingen voorkomt en het geneesmiddel effectiever maakt."
 Ongrijpbaar
Toch blijft de exacte 'blauwdruk' van silicazeven nog ongrijpbaar.
"Een cel kan immers geen potje polymeer bestellen", zegt
Beelen. In die biologische blauwdruk ligt het geheim voor de
exacte aanmaak van silicastructuren besloten. De reden
bijvoorbeeld waarom alle tienduizend verschillende soorten
diatomeeën tienduizend verschillende silicazeven maken.
Prof. Daniël Morse in de Verenigde Staten lijkt wel wat op het
spoor te zijn. Zijn groep ontdekte recent eiwitten in de stekels
van een andere silicamaker, een spons. Deze eiwitten bevatten
waarschijnlijk ook ergens tussen hun honderdduizenden aminozuren
de blauwdruk voor de silicastructuur. Ook is er een plek op het
eiwit die ervoor blijkt te zorgen dat silica inderdaad gaat
polymeriseren. Morse ontdekte tevens waar op de eiwitten de
actieve delen zitten: sommige net iets gemodificeerde varianten
brengen de mineralisatie niet meer tot een goed eind.
De Eindhovenaren en Groningers willen die kostbare eiwitten -één
gram kost al snel vijfduizend gulden- van Morse gebruiken bij hun
metingen in Grenoble. "Wellicht verzorgen die actieve plekken
precies de fasescheiding die we hebben gezien. Als dit klopt,
weten we welke structuren we moeten nabootsen. Dit najaar gaan we
bij Morse op bezoek."
Hebben de scheikundigen dadelijk de goede mal te pakken, dan
kunnen ze betere zeolieten maken. "In de bestaande zeolieten
gaan de omzettingen namelijk traag en onder hoge druk", zegt
Beelen. "Alle poriën zijn heel erg nauw, in de orde van
nanometers. Het duurt daarom erg lang voordat een stof door de
zeef heen is: hij moet steeds van het ene vrije plekje naar het
andere springen. Dat lukt alleen als de stoffen als het ware door
de zeef heen geperst worden. In silica met grotere poriën kun je
stukjes zeoliet zó inbouwen dat elk stofje snel in de miniporie
van het zeoliet zit en er ook weer snel uit is."
Maar zelfs met de goede mal kunnen scheikundigen nog lang niet
wat de natuur kan. In de natuur vermenigvuldigen cellen zich
namelijk en schroeven zo de productie van silica op tot gigatonnen
per jaar. Wil iedereen straks betere zeolieten in zijn waspoeder
dan moet de chemische industrie dat ook kunnen.
Iets dergelijks zou wel lukken bij een 'mal' die zich in de
reageerbuis vermenigvuldigt. Maar wie kloont als eerste een
macromolecuul?
Genen kunnen biotechnologen al lang klonen. Met behulp van de
zogeheten PCR-techniek stellen rechercheurs uit een haar,
bloedspoor of stukje bot de identiteit van een slachtoffer of van
een dader vast. In het forensisch laboratorium vermenigvuldigen
onderzoekers hiervoor genen miljoenen keren. Een bacterie-enzym
doet het plakwerk. Elke ronde van vermenigvuldiging van strengen
komt neer op het verhitten en afkoelen van de reageerbuis. Doe je
dit goed, dan groeit het aantal kopieën exponentieel per ronde,
van 2 naar 4, van 4 naar 16, van 16 naar 256, enzovoort.
"Ik heb wel een voorstel voor PCR met moleculen", zegt
TU/e-hoogleraar prof.dr. Bert Meijer. "Maar dat is nog niet
meer dan een project dat nog moet gebeuren. De onderzoeker die het
gaat doen, moet zich namelijk nog aanmelden." "Als ik
niet per se na mijn promotie naar het buitenland had gewild",
zo vertelt oud-Eindhovenaar dr.ir. Luc Brunsveld vanuit Duitsland,
"dan had ik dat wel willen doen. Het is namelijk een
ijzersterk idee."
Vorig jaar maakten Brunsveld en dr.ir. Ky Hirschberg een
kunstmatig deeltje dat in vorm sterk op een DNA-streng lijkt.
"In water richt dat namaak-DNA zich als een helix op,
linksomdraaiend of rechtsomdraaiend. We haalden toen Nature."
Eén DNA-streng bestaat uit een keten van bouwstenen, zogeheten
monomeren. Deze zitten met chemische bindingen aan elkaar. In de
celkern hechten twee DNA-strengen zich aan elkaar die precies op
elkaar passen. Deze strengen vormen samen een wenteltrap. Deze
strengen zitten niet met chemische bindingen, maar met
waterstofbruggen aan elkaar. Het spelen met waterstofbruggen is
één van de belangrijkste trucs van de cel. De chemie met
waterstofbruggen is namelijk omkeerbaar: alles wat zo vastklikt,
kan ook weer worden losgeklikt. Kortom: ideaal voor een molecuul
als DNA dat steeds moet worden afgelezen.
 Wisselgeld
Het namaak-DNA lijkt eerder op een rol wisselgeld dan op een
wenteltrap. Elk monomeer bestaat namelijk uit twee door het midden
gesneden dubbeltjes, die met een touwtje aan elkaar vastzitten. De
halve dubbeltjes zijn vast te klikken met waterstofbruggen, waarna
ze een 'heel dubbeltje' vormen. Dat vastklikken gebeurt als je de
monomeren in chloroform stopt. Stop je ze hierna in water dan gaan
alle dubbeltjes recht boven elkaar hangen, zoals een rol
wisselgeld. Het aantal dubbeltjes boven elkaar is te regelen door
goede concentraties oplossingen te kiezen. "De kunst is
nu", vertelt Brunsveld, "de 'vaste' touwtjes als het
ware los te knippen en ze te vervangen door twee touwtjes die op
commando razendsnel aan elkaar gaan kleven. Dat moet gebeuren als
de dubbeltjes in water recht boven elkaar hangen."
Dit vastlijmen, in vaktermen polymeriseren, kan met een chemische
staart met een snel reagerend elektrisch deeltje (een radicaal).
Lukt dit, dan vormen ze de touwtjes tussen de dubbeltjes. Zo zorgt
de polymerisatie ervoor dat er twee moleculen ontstaan, die net
als twee DNA-strengen aan elkaar vastzitten met waterstofbruggen.
"Daarna kun je net als bij het klonen van DNA het molecuul
verhitten en koelen", zegt Brunsveld. "Bij verhitting
springen de waterstofbruggen los en gaan de strengen uit elkaar.
Daarnaast gaan losse halve dubbeltjes uit de vloeistof op de vrije
plaatsen zitten. Vervolgens koel je weer af en start opnieuw de
polymerisatie. Zo heb je van twee moleculen vier identieke
moleculen gemaakt."
Polymeernatuurkundigen in Eindhoven hebben deze zomer doorgerekend
dat het op deze manier klonen van moleculen volgens de regels van
de warmteleer zou moeten kunnen. "We hopen natuurlijk dat het
zal werken, maar tot nu toe is het alleen maar een 'proof of
principle'", zegt Meijer.
Het zal er de komende jaren dus om gaan spannen bij de
toponderzoekschool Katalyse. Voeg een werkende mal van de
anorganici voor silicazeven bij de kloontechniek van de organici
en je krijgt iets dat begint te lijken op de 'algenfabrieken' voor
silica. Het is kortom een stap op weg naar de kunstmatige cel.
"In ieder geval", zo voorspelt Brunsveld, "zou PEG
-'bind-weefselmateriaal via onze techniek te klonen moeten
zijn." Dat PEG is hetzelfde materiaal dat de anorganici nu
gebruiken om de mal van de algen mee na te bootsen./.
|
