Meer inzicht in structuur moleculen

Meer inzicht in structuur moleculen
Natuurkundige Michel Orrit bracht in 1990 als eerste een enkele molecuul in beeld die fluorescent licht uitzendt. Foto Hielco Kuipers
© Foto Hielco Kuipers
Leiden

Hoe zit een eiwitmolecuul precies in elkaar? En welke moleculen zijn het beste te gebruiken voor plastic elektronica? Deze vragen zijn in de toekomst hopelijk beter te beantwoorden door een techniek van natuurkundige Michel Orrit van de Universiteit Leiden, die losse moleculen op een nieuwe manier in beeld brengt.

Orrit wijdt al zijn hele carrière aan het zichtbaar maken van losse moleculen. Dankzij hem is het sinds 1990 mogelijk om een enkele molecuul zichtbaar te maken door het met een laserstraal te beschijnen, waarna het fluorescent licht uitstraalt.

Onderzoekers Betzig, Hell en Moerner gebruikten deze methode om superresolutie-fluorescentiemicroscopie te ontwikkelen, waarvoor ze in 2014 de Nobelprijs ontvingen. Met deze microscopietechniek is het bijvoorbeeld mogelijk om aan te tonen of een bepaald eiwitmolecuul in een cel aanwezig is of niet. Dit is een belangrijke vooruitgang in chemisch en biomedisch onderzoek.

Gevouwen

Een nadeel van de fluorescentietechniek is dat niet alle moleculen met fluorescentie kunnen worden aangetoond. Ook maakt deze techniek niet zichtbaar hoe groot een molecuul precies is en welke 3D-structuur het heeft: of het bijvoorbeeld is opgerold in een balletje of op een bepaalde manier is gevouwen. Het is van belang om dit te weten, omdat eiwitmoleculen die op een bepaalde manier zijn gevouwen, zich anders gedragen dan eiwitten die op een andere manier zijn gevouwen. Eiwitten die verkeerd gevouwen zijn spelen bijvoorbeeld een rol in de ziekte van Alzheimer. „Het is mijn droom om deze structuur van individuele eiwitmoleculen zichtbaar te maken”, zegt Orrit.

De kans dat die droom uitkomt, is vergroot door een nieuwe techniek die hij met zijn collega’s van de Universiteit Leiden heeft ontwikkeld. Deze techniek maakt geen gebruik van fluorescentie, maar meet in plaats daarvan hoeveel licht moleculen individueel absorberen.

In 2010 heeft Orrit deze techniek al voor het eerst gebruikt om een molecuul zichtbaar te maken. „We konden de techniek toen alleen gebruiken voor een specifiek type molecuul. Nu hebben we onze techniek veel gevoeliger gemaakt, zodat we allerlei moleculen van verschillende groottes kunnen detecteren”, legt hij uit.

De moleculen die Orrit nu zichtbaar heeft gemaakt, zijn geleidende polymeren. Polymeren zijn grote moleculen die bestaan uit meerdere repeterende kleinere delen (monomeren). Plastics zijn opgebouwd uit synthetische polymeren en eiwitten uit natuurlijke polymeren. Geleidende polymeren worden bijvoorbeeld gebruikt voor het maken van plastic elektronica voor zonnecellen. „Het is van belang om de eigenschappen van losse polymeren te kunnen onderzoeken, om nieuwe materialen zo efficiënt en effectief mogelijk te maken.”

Links- of rechtshandig

De nieuwe techniek is nog in de ontwikkelingsfase. De stap om de 3D-structuur van individuele eiwitmoleculen aan te tonen, is er voorlopig nog niet. Eerst wil Orrit de techniek optimaliseren om de links- of rechtshandigheid van een molecuul aan te kunnen tonen. „Niet alle moleculen zijn symmetrisch”, vertelt hij. „Een molecuul kan bijvoorbeeld links- of rechtshandig zijn. Dit betekent dat als je een molecuul in de spiegel bekijkt, hij er anders uitziet. Houdt maar eens je linkerhand voor de spiegel: die ziet er dan ook anders uit. Linkshandige moleculen hebben andere eigenschappen dan rechtshandige moleculen.” Ook de 3D-structuur van een eiwitmolecuul wordt bepaald door zijn links- of rechtshandigheid.

Voordat Orrits droom uitkomt is dus nog een lange weg te gaan. „Waarschijnlijk ben ik dan al met pensioen. Maar hopelijk zijn er ook nog veel toepassingen van deze techniek die ik nu nog niet eens kan bedenken. Zo gaat dat in de wetenschap.”

Meer nieuws uit Leiden