Science: Chemische brandstof drijft zelfassemblage
10 september 2015
De onderzoeksgroep van Jan van Esch van de Technische Universiteit Delft is erin geslaagd om een synthetisch, brandstofgedreven zelfassemblageproces in gang te zetten en te controleren.
Moleculaire bouwstenen in water assembleren door toevoegen van een chemische brandstof tot een netwerk van vezels, waardoor de oplossing in een hydrogel verandert. Na verloop van tijd is de brandstof op en valt de gelstructuur weer uit elkaar tot een oplossing van de oorspronkelijke
bouwstenen. Het onderzoek is mede mogelijk gemaakt door een NWO Complexity Grant (Coupling of self-assembly and metabolism in protocells) en een NWO Vici subsidie (Functional nanosystems by self-assembly).
De Delftse onderzoekers hebben aangetoond dat synthetische materialen zichzelf kunnen veranderen in actieve materialen als zij brandstof toegediend krijgen. Het achterliggende proces, de zogenoemde zelfassemblage van moleculen, is een belangrijk mechanisme in de natuur, waardoor levende
materialen bijvoorbeeld kunnen bewegen of zich aanpassen aan de omgeving. Het onderzoek opent de weg om dit met synthetische stoffen na te doen.
Energieverbruik
Levende materialen bestaan uit duizenden verschillende moleculen, die met niet-permanente verbindingen aan elkaar vastzitten. Het proces waarmee die moleculen zich organiseren heet zelfassemblage. "Omdat ze niet permanent aan elkaar vastzitten, kunnen ze ook gemakkelijk veranderen, zich
reorganiseren, of gerepareerd worden. Om deze functies uit te kunnen voeren, hebben cellen energie nodig: energieverbruik is een essentieel kenmerk van levende materialen. Dit zijn nu typisch eigenschappen en processen die we ook in synthetische materialen willen integreren", zeggen de
onderzoekers dr. Rienk Eelkema en prof. Jan van Esch.
De onderzoeksgroep van Van Esch is erin geslaagd om een synthetisch, brandstofgedreven zelfassemblageproces in gang te zetten en te controleren. Het in het onderzoek geproduceerde actieve materiaal is een kunstmatige variant van het cytoskelet van een cel, het systeem van kleine buisjes -
tubuli en actinefilamenten - dat cellen stevig houdt. De onderzoekers hebben moleculaire bouwstenen ontwikkeld die met een andere verbinding, de brandstof, moeten reageren om synthetische vezels te kunnen vormen. Zolang er brandstof aan de bouwstenen wordt toegevoegd vormen zich synthetische
vezels, die echter weer uit elkaar vallen zodra de energietoevoer stopt. Met andere woorden, de synthetische vezels bestaan net zolang als er brandstof aanwezig is, precies zoals het cytoskelet in levende cellen.
Natuur
Met hun resultaten hebben de onderzoekers de weg geopend naar de ontwikkeling van actieve materialen die functies uit de natuur kunnen nabootsen. Functies als bewegen, zichzelf herstellen en aanpassen aan de omgeving waren tot nu toe voorbehouden aan levende materialen. Van Esch: "We hebben
geleerd hoe we een chemisch reactienetwerk kunnen inzetten om een synthetisch zelfassemblagesysteem te maken. Die kennis is noodzakelijk om andere synthetische materialen van de bijzondere eigenschappen van levende materialen te kunnen voorzien."
Transient assembly of active materials fueled by a chemical reaction, Job Boekhoven, Wouter E. Hendriksen, Ger J. M. Koper, Rienk Eelkema, and Jan H. van Esch, Science 4 September 2015: 1075-1079.
Bron: TU Delft
Bron: NWO