Evenwicht is van levensbelang: de (bio)chemie zit er vol mee. In de natuur is dat evenwicht nog wel wat eleganter dan wat je in het lab kunt produceren, maar dat weerhoudt chemici er niet van om zelf evenwichtssystemen te creëren. Hazal Koyuncu, Jacopo Movilli, Sevil Sahin, Dmitrii Kriukov, Jurriaan Huskens en Albert Wong van de Universiteit Twente creëerden zo’n systeem waarmee je uiteindelijk op moleculaire wijze informatie kunt verwerken met chemische reactienetwerken (CRN’s). Het leverde hen een plekje op de cover van ChemSystemsChem op.

Wong en collega’s gebruikten een microfluïdisch kanaal uit de 3D-printer waar ze verschillende concentraties aan moleculen doorheen konden laten gaan om vervolgens de signalen af te lezen. ‘We wilden weten wat er gebeurt als je evenwichtssystemen door zo’n kanaal heen laat gaan en hoe je die kunt beïnvloeden’, vertelt Wong, universitair docent chemische reactienetwerken. ‘Dat kan bijvoorbeeld door aan de binnenkant van die kanalen een laag geladen moleculen te bevestigen. In ons geval was dat poly-l-lysine, een aminozuur dat van zichzelf een positief geladen amine heeft.’

Het evenwichtssysteem bestond uit een simpele zuur-basereactie, dus protoneren en deprotoneren. In eerste instantie zagen de onderzoekers dat een enkele polylysinelaag ervoor zorgde dat het deprotoneren iets langzamer ging dan het protoneren, maar het was nog niet zo’n sterk effect. ‘Het heeft lang geduurd voor we begrepen waarom dat was’, zegt Wong. ‘We begonnen met één laag om het simpel te houden, maar volgens een wiskundig model hadden we een sterker effect moeten zien.’

De oplossing bleek te zitten in het vormen van meerdere lagen polylysine. Wong: ‘Dat was op twee manieren verrassend: enerzijds was het effect van drie lagen in plaats van één laag veel sterker dan verwacht, anderzijds was het verschil tussen drie lagen en negen of meer lagen nihil.’ Die zogenoemde polyelectrolyte multilayers zorgen ervoor dat het deprotoneren veel sneller ging waardoor het evenwicht sterk vertraagde. Wong: ‘Ik ben dankbaar dat we als team samen hebben gewerkt aan deze oplossing. De synergie die daarbij aanwezig was, bleek bijzonder effectief.’

Toepassingen

‘In algemene zin zou dit moeten werken voor heel veel soorten evenwichten’, vervolgt Wong. ‘Met deze oppervlakte-gebonden reacties kun je evenwichten op een heel andere manier beïnvloeden dan je in een bekerglas zou kunnen doen.’ En dát kan interessant zijn voor toepassingen, want op deze manier kun je heel direct invloed uitoefenen op feedbackloops en kun je begrijpen wat die feedback in eerste instantie mogelijk maakt. ‘In de chemie meet je meestal alleen maar met tijd, maar de oppervlaktereacties voegen een ruimtelijke component toe waardoor je dynamisch kan detecteren, wat tot biosensortoepassingen kan leiden.’

Wongs groep gaat verder met dit concept. ‘We hebben het simpel gehouden met kanaaltjes uit de 3D-printer, maar nu willen we ruimtelijke gradiënten creëren op een kleinere schaal: kleinere kanaaltjes, daarin gradiënten maken en vervolgens kijken naar het effect op gevoeligheid.’ Ook wil hij naar een complexere binnenlaag. Nu zijn het nog vrij simpele aminegroepen, maar de groep ziet tevens opties in DNA en thiolchemie. ‘Die functionalisatie met meer biochemische componenten maakt het relevanter voor het bestuderen van feedbackloops in het leven.’

Koyuncu, A.H. et al. (2023) ChemSystemsChem e202300030, DOI: 10.1002/syst.202300030