De rotatiediffusie van nanodeeltjes is van invloed op het proces van zelfassemblage. Illustratie: HIMS.

Hoe je een draai kunt geven aan de assemblage van nanodeeltjes

Simulaties verhelderen de rol van rotatie bij zelfassemblage in cellen en functionele materialen

1 december 2015

De rotatie van nanodeeltjes zoals eiwitten en colloiden speelt een bepalende rol bij de zelfassemblage van deze deeltjes tot complexen en clusters. Dat blijkt uit onderzoek van het Amsterdam Center for Multiscale Modeling (ACMM) bij het Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS), in samenwerking met chemici van de Universiteit Utrecht. In de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) beschrijven ze deze week hoe dit fundamenteel nieuwe inzicht een extra ontwerpprincipe biedt voor de vervaardiging van nieuwe functionele materialen.

In de natuur speelt moleculaire zelfassemblage een niet te onderschatten rol. Zo `plakken` eiwitten aan elkaar tot virussen, of tot eiwitcomplexen die signalen doorgeven in cellulaire netwerken. Dergelijke processen vormen een inspiratiebron voor chemici die zelf kleine bouwstenen ontwerpen waaruit via spontane zelfassemblage functionele materialen ontstaan. Naast eiwitten worden daarbij bijvoorbeeld ook synthetische polypeptiden of colloidale deeltjes benut. Via de structuur van zulke bouwstenen is het proces van zelfassemblage te beinvloeden, en daarmee de functionaliteit van het uiteindelijke materiaal.

Procesverloop is belangrijk

Om de materialen met bijzondere eigenschappen te kunnen maken willen materiaalkundigen het resultaat van de zelfassemblage kunnen voorspellen. Doorgaans berekenen ze de meest stabiele materiaalstructuur op grond van de voorspelde wisselwerking tussen de individuele bouwstenen. Maar het eindresultaat hangt ook af van het verloop van het zelfassemblageproces (de dynamica en de kinetiek).

In samenwerking met collega's van de Universiteit Utrecht en gefinancierd door de Stichting FOM hebben ACMM onderzoekers Arthur Newton en Peter Bolhuis het procesverloop nu onderzocht met behulp van computersimulaties aan een eenvoudig model voor eiwitten. Hun aandacht ging daarbij vooral uit naar de invloed van de rotatie van de deeltjes op de zelfassemblage.

Rotatie diffusie niet altijd volgens Einstein

In veel zelfassemblage-simulaties wordt de rotatie van de deeltjes in samenhang beschouwd met hun verplaatsing (translatie). Beide aspecten zijn normaliter gekoppeld via de zogenaamde Stokes-Einstein relatie. De afgelopen jaren hebben experimenten echter aan het licht gebracht dat deze koppeling niet altijd opgaat, met name niet onder de omstandigheden die bij zelfassemblage van belang zijn. Zoals in dicht opeengepakte, drukke omgevingen als het cytoplasma van de levende cel.

In hun simulaties laten de Amsterdamse onderzoekers zien wat het gevolg is van het loslaten van de Stokes-Einstein koppeling. Bij slechts twee deeltjes komt al een sterk effect op de associatie aan het licht. Maar het effect wordt pas echt belangrijk bij meerdere deeltjes, als metastabiele intermediaire toestanden mogelijk zijn. In een simulatie van clustervorming bij vier deeltjes blijkt variatie in de rotatiediffusie de voorkeur voor zelfassemblagepaden aanzienlijk te verschuiven. De onderzoekers konden deze vinding generaliseren tot clusters van elke grootte.

Bolhuis PNAS

Verandering van assemblage mechanisme bij verlaging van rotatie diffusie. In elke cirkel is een metastabiele toestand weergegeven. De zwarte punten geven aan waar de deeltjes aan elkaar blijven 'plakken', een deeltje is in oranje weergegeven ter verduidelijking van het contrast. De dikte van de pijlen weerspiegelt de waarschijnlijkheid van de route . Voor langzame rotatie heeft een route duidelijk de voorkeur ten opzicht van de andere. Hier worden 'gefrustreerde' toestanden (rechts onder) vermeden, wat leidt tot aanzienlijk minder kinetische hindering en betere opbrengst. Illustratie: HIMS.

Nieuwe materialen

De onderzoekers stellen dat hun resultaten nieuwe mogelijkheden bieden voor een betere beheersing van de bottom-up synthese van functionele materialen. Zo zou het mogelijk moeten zijn deeltjes te ontwerpen waarvan de rotatie met magnetische of elektrische velden te beinvloeden is.

Daarnaast geeft het onderzoek een aanzet tot beter begrip van de invloed van rotatiediffusie op zelf-assemblage processen in de natuur, met name in zeer drukke moleculaire omgevingen zoals in het cytoplasma van een levende cel. Deze ontdekking zal onder andere consequenties hebben voor het modelleren van eiwitcomplexvorming zoals bij virussen.

Video wordt geladen..

Publicatie

Arthur C. Newton, Jan Groenewold, Willem K. Kegel, and Peter G. Bolhuis: Rotational diffusion affects the dynamical self-assembly pathways of patchy particles. PNAS Early Edition, published online 30 Nov. 2015, DOI: 10.1073/pnas.1513210112

Gepubliceerd door HIMS