Een synthetische zogenoemde catch bond zou een touw sterker kunnen maken onder invloed van trekkracht. Foto Unsplash / Jakob Owens Kan een touw sterker worden als je eraan trekt? Nee, natuurlijk niet, is de eerste reactie. Promovendus Martijn van Galen bewijst het tegendeel. Een wereldprimeur.
Toegegeven, dat touw bestaat nog niet. Maar dat is slechts een kwestie van tijd. Dat het kán, heeft fysisch chemicus Martijn van Galen onomstotelijk bewezen. Hij beschrijft het in zijn proefschrift Catching Up!, waarop hij vorige week promoveerde. Het is de eerste keer dat de mens een verbinding maakt die sterker wordt onder spanning.
Die titel van zijn proefschrift slaat op onze wedijver met de natuur. De natuur maakt volop gebruik van verbindingen die sterker worden onder spanning. Catch bonds heten zulke bindingen, een term die je nog het best zou kunnen vertalen met grijpbindingen.
Catch bonds werden in 2003 voor het eerst aangetoond. ‘Allereerst bij de rollende beweging van witte bloedcellen, die zich ophopen op plekken waar ontstekingen ontstaan’, vertelt Van Galen. ‘Witte bloedcellen hechten losjes aan een specifiek receptoreiwit op de endotheelcellen in de bloedbaan. Dat eiwit wordt bij een ontsteking aangemaakt. De stroming van bloed in de bloedbaan duwt als het ware tegen de witte bloedcellen aan. Hierdoor komt er een trekkracht op de receptoreiwitten te staan, die vervolgens sterker worden, omdat deze receptoreiwitten catch bonds zijn. Die losse binding verandert door die trekkracht dus in een veel sterkere binding. Het resultaat is dat de rollende bloedcellen worden afgeremd en blijven plakken op de plek van de ontsteking.’
Doordat het receptoreiwit vervormt als je eraan trekt, komt een in het binnenste van het eiwit verborgen bindingsplek vrij waaraan de witte bloedcel zich hecht. ‘Catch bonds komen in de natuur veel voor bij processen waarbij mechanische krachten zijn betrokken en waarbij de stabiliteit van weefsels in het geding is’, zegt Van Galen. ‘Bijvoorbeeld bij eiwitten die DNA-strengen uit elkaar trekken tijdens de celdeling.’
We hebben tientallen verschillende ontwerpen getest. Er zat heel wat trial-and-error bij
Hij somt in zijn proefschrift een aantal van die biologische processen op. ‘Maar het is waarschijnlijk dat zulke bindingen bij veel meer processen een rol spelen. Het is alleen niet makkelijk aan te tonen. Daar zijn complexe meetmethoden voor nodig.’
Synthetisch namaken
In de natuur zijn catch bonds dus min of meer alledaags, maar de mens heeft er nog nooit eentje kunnen maken. Van Galens promotor Joris Sprakel liep al langer met het idee rond zijn tanden daarin te zetten. Hij vond in Van Galen een bondgenoot. ‘Ik had bij onderzoeksschool VLAG een beurs gekregen om allosterie bij eiwitten – het van vorm en functie veranderen – synthetisch na te maken. Catch bonds zijn ook een vorm van allosterie. Hoe kun je een soort schakelaar maken die onder invloed van mechanische kracht breekt en daardoor een sterkere binding vormt? Dat is de kern van een catch bond.’
De catch bond die Van Galen ontwierp bestaat niet uit eiwit maar uit twee stukken enkelstrengs DNA (zie de illustratie). Een van de twee strengen is gedeeltelijk gevouwen als een haarspeld. In normale toestand hechten beide strengen DNA zich lichtjes aan elkaar. Dat verandert onder spanning. ‘De haarspeld opent zich dan als een soort rits, waarbij het binnenste van de rits beschikbaar komt en zorgt voor binding aan een precies passend stuk DNA op de andere streng.
Zo simpel als het hier is voorgesteld, is het in werkelijkheid niet. Van Galen: ‘Er zitten verschillende modules in de catch bond, die allemaal op een verschillende manier op krachten moeten reageren. De ene moet gevoeliger zijn voor kracht dan de andere. Anders werkt het niet. We hebben tientallen verschillende ontwerpen getest. Er zat heel wat trial-and-error bij. Bovendien moet het systeem omkeerbaar zijn.’
Open ritsen
Feitelijk is het een spel tussen thermodynamische en mechanische stabiliteit, legt Van Galen uit. ‘In de sterke toestand is de binding mechanisch sterk, maar thermodynamisch zwak. Voor de zwakke toestand geldt het omgekeerde. Het kost maar relatief weinig kracht om een haarspeld open te ritsen en veel kracht om de catch bond te breken. Maar energetisch is de haarspeld gunstiger. Dat is waarom onze catch bond werkt.’
Om aan te tonen dat hij echt een catch bond had gemaakt, greep Van Galen terug op de rollende witte bloedcel. Hij maakte kunstmatige ‘bloedcellen’ van kleine bolletjes piepschuim (1,5 micrometer groot), volgeplakt met een van de twee strengen DNA. Die bolletjes werden door een glazen vloeistofcel (de ‘bloedbaan’) geleid, waarvan de wand was bekleed met de tweede streng DNA. Het bewijs was overduidelijk. De deeltjes rolden bij toenemende kracht langzamer. ‘De catch bond remt de rolsnelheid, doordat de verbinding sterker wordt. Onder toenemende kracht staan ze zelfs een steeds groter deel van de tijd stil. Dat is het belangrijkste bewijs.’
Van Galen spreekt zelf van een doorbraak. ‘Dit is de eerste keer dat een catch bond synthetisch is gemaakt. Natuurlijk is er meer voor nodig om dit echt toe te passen en in te bouwen in materialen. Maar dat zou wel supergaaf zijn. Stabilisatie onder toegepaste kracht, gecodeerd in het materiaal zelf!’ Maar hoe leuk ook, dat gaat hij dus niet doen. Hij richt zijn carrière op een andere passie: computersimulatie van moleculaire systemen.
