Mysterie van te licht bevonden macromoleculen opgelost
De massa van grote moleculen (macromoleculen) zoals eiwitten en DNA, kan worden bepaald met ultracentrifugatie. Voor macromoleculen met een elektrische lading levert deze methode soms echter veel te lage massa's. Het toevoegen van veel zout aan de oplossing leidt wél tot een nauwkeurig resultaat, maar de oorzaak van dit zouteffect bleef lange tijd onbegrepen. Vorig jaar kwam de Utrechtse theoretisch fysicus en FOM-springplanker René van Roij met een verklaring voor dit verschijnsel. Nu hebben de Utrechtse scheikundigen Mircea Rasa en Albert Philipse met een modelsysteem aangetoond dat zijn theorie klopt. Zij publiceerden hierover in Nature van 24 juni 2004.
Op vaste deeltjes in een vloeistof werken twee krachten. De volledig willekeurige Brownse beweging stuurt de deeltjes alle kanten op (diffusie), terwijl de zwaartekracht ze naar de bodem trekt (sedimentatie). Zonder zwaartekracht zouden de deeltjes zich helemaal homogeen door de vloeistof verspreiden. Door de zwaartekracht is de concentratie van de deeltjes onderin echter groter dan bovenin. Dit wordt een 'barometrische verdeling' genoemd, naar de luchtconcentratie in de atmosfeer rond de aarde. Hoe zwaarder de deeltjes, hoe meer de zwaartekracht het wint van de Brownse beweging en hoe meer de barometrische verdeling inzakt. De verdeling is dus een maat voor de massa van de deeltjes.
Centrifuge
De massa van macromoleculen is echter zo klein, dat op laboratoriumschaal het effect van de zwaartekracht vaak niet meetbaar is. Daarom wordt voor de massabepaling van macromoleculen een ultracentrifuge gebruikt. Voor macromoleculen met een elektrische lading bleek de techniek soms echter veel te lage molecuulmassa's op te leveren. Deze anomalie kon echter ongedaan gemaakt worden door veel zout toe te voegen. Lange tijd bleef de oorzaak van dit effect onduidelijk.
Elektrisch veld
Vorig jaar kwam theoretisch fysicus René van Roij met een verrassende verklaring voor beide verschijnselen. Hij beredeneerde dat in een vloeistof met gesedimenteerde geladen macromoleculen een elektrisch veld ontstaat dat de zwaartekracht tegenwerkt. Hierdoor lijken de deeltjes lichter dan ze zijn. Van Roij berekende dat ze zelfs bijna gewichtsloos zouden kunnen worden!
De Utrechtse scheikundigen dr. Mircea Rasa en prof.dr. Albert Philipse besloten de theorie te testen met ultracentrifugatie van een modelsysteem. In plaats van macromoleculen, gebruikten zij colloïden: geladen silica bolletjes met een straal van 20 nanometer. Daarmee vonden ze inderdaad het zeer merkwaardige, sterk opgeblazen sedimentatieprofiel, zoals voorspeld door de theorie van Van Roij.
Vervolgens voegden de onderzoekers zout toe aan het mengsel. Hoe meer zout, hoe sterker de bolletjes uitzakten naar de bodem en hoe beter de berekende massa weer correspondeerde met de echte massa.
Optillen
De aanwezigheid van een elektrisch veld wordt verklaard door het grote massaverschil tussen de positief geladen silica bollen en hun negatief geladen tegenionen. De bollen bezinken onder invloed van de zwaartekracht of een centrifugatie, terwijl de vrijwel gewichtsloze ionen zich ongehinderd door de zwaartekracht zoveel mogelijk willen verspreiden door de Brownse beweging.
De positieve bollen trekken wel aan de negatieve tegenionen, maar niet hard genoeg om het verschil in zwaartekracht ongedaan te maken. Zo ontstaat ladingsscheiding: onder in het vat een beetje extra positieve lading en bovenin even veel extra negatieve lading. Deze ladingsscheiding wekt een elektrisch veld op. Dit veld oefent vervolgens op de positieve bollen weer een opwaartse kracht uit. Het tilt als het ware de bol op, waardoor de massa kleiner lijkt dan die in werkelijk is.
Als er veel zout wordt toegevoegd, dan is er altijd wel een positief ion in de buurt dat een negatief ion op zijn diffusietocht kan vergezellen. Hierdoor wordt de ladingsscheiding en het elektrische veld onderdrukt, zodat het macromolecuul weer niet langer wordt opgetild door zijn eigen tegenionen. De onderzoekers verwachten dat het elektrische veldeffect ook optreedt bij de sedimentatie van biomoleculen (DNA, eiwitten).
Bron: persbericht Universiteit Utrecht