Chaperonne voor losbandige moleculen
Het is nagenoeg onmogelijk om de structuur van afzonderlijke grote moleculen in complexe systemen van moleculen te bepalen, omdat die moleculen gigantisch veel verschillende structuren kunnen aannemen. Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam hebben nu samen met collega's uit de Verenigde Staten, Schotland en Italië een soort moleculaire mal ontwikkeld die een specifieke vorm oplegt aan een molecuul dat ze willen onderzoeken. Zo'n moleculaire chaperonne kunnen ze verschillende vormen geven, waardoor het zelfs mogelijk wordt structuren te bestuderen die het vrije molecuul anders niet zou aannemen De onderzoekers verwachten dat de nieuw ontwikkelde techniek in de toekomst een grote rol zal spelen in het ontrafelen en controleren van de structurele dynamica van complexe moleculaire systemen. Ze publiceren hun resultaten op 11 april 2008 in het tijdschrift Angewandte Chemie, waarin het als één van de highlights wordt uitgelicht.
Om een gedetailleerd beeld te krijgen van de structuur van een molecuul gebruiken onderzoekers een techniek die hoge-resolutie elektron-excitatiespectroscopie heet. Hiermee kunnen ze in kaart brengen wat de energiebarrières zijn om van de ene structuur van een molecuul naar de andere te komen, of bijvoorbeeld hoe lichtenergie over het molecuul wordt verdeeld. Om deze metingen mogelijk te maken zorgen ze ervoor dat de moleculen geen wisselwerking hebben met andere moleculen én intern zijn afgekoeld tot temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. Hierdoor hebben de lijnen in het gemeten spectrum een veel smallere breedte dan bijvoorbeeld bij kamertemperatuur in oplossing is gezien. Deze lijnen weerspiegelen direct de moleculaire eigenschappen en vormen praktisch gezien de handtekening van het molecuul. Hoe meer detail er in deze handtekening is te zien, hoe beter het molecuul gekarakteriseerd kan worden. Voor kleine moleculen werkt dit inderdaad prachtig, maar voor grotere en complexere systemen helaas niet. Eén van de redenen daarvoor is dat het aantal structuren dat het molecuul kan aannemen zo groot is, dat de lijnen van elk van deze structuren niet meer afzonderlijk onderscheiden kunnen worden. Hun handtekeningen vloeien als het ware in elkaar over, en details van elk van de afzonderlijke structuren raken verloren.
Een moleculaire mal
Onderzoekers van de groep Moleculaire Fotonica aan de Universiteit van Amsterdam hebben nu in samenwerking met collega's van de University of California aan Santa Barbara, de University of Edinburgh, en de Università di Bologna - en met financiële steun van de Stichting FOM - een nieuwe manier bedacht om de flexibiliteit van moleculen onder controle te houden. De methode is gebaseerd op een moleculaire architectuur die rotaxaan genoemd wordt. Dit is een moleculair systeem dat kan worden opgevat als een draad met daarom heen een ring, die echter niet gebonden is aan de draad. Onder normale omstandigheden is de draad erg flexibel en kan een groot aantal structuren aannemen, maar de interacties tussen ring en draad zorgen ervoor dat de ring als een mal fungeert waarmee de draad in één of een beperkt aantal structuren geforceerd wordt. De nu ‘geboetseerde’ draad wordt vervolgens toegankelijk gemaakt voor verdere spectroscopische experimenten door de mal met behulp van een laserpuls te verwijderen. Als dit bij kamertemperatuur gedaan zou worden, zou de draad onmiddellijk weer alle structuren aannemen die hij in vrije vorm ook zou hebben. Het ingenieuze van de aanpak is dat ring en draad eerst met behulp van een supersone expansie intern worden afgekoeld vóórdat de ring wordt verwijderd. De draad blijft daardoor ‘ingevroren’ in de structuur die de mal hem heeft opgelegd.
Tal van mallen
De vorm van de ringen is relatief eenvoudig aan te passen en dat maakt het dus mogelijk om een breed arsenaal aan mallen te maken. Daarnaast zijn er aan de University of Edinburgh synthetische methodes ontwikkeld waarmee nagenoeg elk 'lineair' molecuul kan worden voorzien van een dergelijke mal. De onderzoekers verwachten daarom dat de nieuw ontwikkelde techniek in de toekomst een grote rol zal spelen in het ontrafelen en controleren van de structurele dynamica van complexe moleculaire systemen.
Informatie
Meer informatie bij prof.dr. Wybren Jan Buma, Universiteit van Amsterdam, telefoon (020) 525 69 73 of dr. Anouk Rijs, FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, telefoon (030) 609 68 23.
Referentie
Het artikel is getiteld “Shaping of a conformationally flexible molecular structure for spectroscopy". De auteurs zijn Anouk M. Rijs, Bridgit O. Crews, Mattanjah S. de Vries, Jeffrey S. Hannam, David A. Leigh, Marianna Fanti, Francesco Zerbetto en Wybren Jan Buma. Het artikel wordt op 11 april 2008 gepubliceerd in Angewandte Chemie.