Moleculaire machines gaan aan het werk

Jiawen Chen, promovendus bij de afdeling Organische Chemie van de Rijksuniversiteit Groningen, heeft belangrijke stappen gezet richting de toepassing van moleculaire machines. Hij ontwierp een moleculair ‘roerstaafje’, maakte een motor-molecuul dat spontaan nanobuisjes vormt die door het aanzetten van de motor in blaasjes veranderen (en weer terug) en hij wist de beweging van een enkel motor-molecuul zichtbaar te maken. Chen verdedigt zijn proefschrift op 30 januari 2015.

In 1999 beschreef RUG-hoogleraar Organische Chemie Ben Feringa (de begeleider van Chen) de eerste door licht aangedreven moleculaire motor in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. Vanaf dat moment is er hard gewerkt om de motor geschikt te maken voor gebruik onder alledaagse omstandigheden.
Nu, ruim vijftien jaar later, lijkt dat doel onder handbereik. Om de door licht aangedreven motoren in biologische systemen te kunnen gebruiken was het belangrijk om de olie-achtige moleculen oplosbaar te maken in water. Dit was de eerste horde die Chen nam, hij maakte een motor molecuul zeepachtig door er wateroplosbare groepen aan te koppelen.

Vorm veranderen

Vervolgens ontwierp Chen een langzaam draaiend in water oplosbaar motor-molecuul dat via zelforganisatie spontaan gesloten nanobuisjes vormde. Die buisjes kunnen veranderen in blaasjes door de motoren met licht te activeren, en weer terug in buisjes door ze te verwarmen. Zo wist hij als eerste de vorm van een nanostructuur te veranderen met behulp van een moleculaire motor. Dat opent de weg naar toepassingen zoals het opslaan en afleveren van stoffen.

Nano-roerstaaf

Vervolgens koppelde Chen aan de moleculaire motor een stijve ‘peddel’, zodat er een door licht aangedreven nano-roerstaafje ontstond. Door peddels met verschillende lengte en stijfheid te gebruiken kon Chen meten hoe de kinetiek en thermodynamica bepalen hoeveel vloeistof de roerstaaf in beweging zet. Deze nano-roerstaaf is wellicht bruikbaar om ingrediënten in een lab-op-een-chip te mengen of om opgeloste materialen te verplaatsen, zelfs tot in cellen.

Zichtbaar

Het zichtbaar maken van de beweging van één enkele moleculaire motor is een hele uitdaging. Nadat hij een fluorescente groep met behulp van een lang ‘tussenstuk’ op de motor had gezet en de motor vervolgens vast op een oppervlak verankerde, kon Chen met behulp van single molecule technieken de draaibeweging waarnemen, opnieuw als eerste in dit veld. Het experiment met een kleine, synthetische motor is een herhaling van een inmiddels klassiek experiment waarbij de draaibeweging van een natuurlijke motor, het ATPase eiwitcomplex (dat de universele biologische brandstof ATP produceert), zichtbaar was gemaakt.

Nieuw tijdperk

Het onderzoek van Jiawen Chen laat zien dat onze kennis over door licht aangedreven moleculaire motoren zover is gegroeid dat het mogelijk is een motor voor een specifiek doel te ontwerpen en te maken. Volgens Ben Feringa luidt het onderzoek van Chen daarmee een nieuw tijdperk in: ‘We kunnen nu een motor zelf ontwerpen en bouwen, de beweging zichtbaar maken, er ten dele natuurlijke motorsystemen mee nabootsen en de motoren vastzetten op een oppervlak. Dat geeft ons allerlei mogelijkheden om slimme materialen en slimme oppervlakken te maken.’

Meer informatie

Jiawen Chen deed zijn promotieonderzoek bij de afdeling Organische Chemie van het Stratingh Instituut, faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen van de Rijksuniversiteit Groningen. Hij werkt daar nu als postdoc onderzoeker. De verdediging van het proefschrift vindt plaats op 30 januari 2015 om 11.00 uurin de Martinikerk, Martinikerkhof 3, Groningen. De titel van zijn proefschrift is Advanced molecular devices based on light-driven molecular motors. promotor is prof.dr. Ben Feringa.