Het begon zoals zoveel dingen, begint Bauke Albada, universitair hoofddocent aan Wageningen University & Research (WUR). Onderzoekers kijken naar de natuur en vinden daar iets bijzonders: in dit geval bindingen die weerstand bieden aan mechanische krachten, de catch bond. Met andere woorden: normaal wordt een binding zwakker of breekt af als je er druk op zet, maar in het geval van de catch bond wordt de binding juist sterker. ‘Dat zie je bijvoorbeeld bij witte bloedcellen in de bloedbaan, die moeten kunnen blijven plakken onder sterke stroming, maar wel vrij kunnen rollen bij trage stroming’, vertelt Albada.

Ondanks dat de catch bond dus al wel bekend is in de natuur, is het nog niemand gelukt om de binding ook echt in het lab te maken – tot nu. ‘Het was aan de nieuwsgierigheid van de wetenschapper om het voor elkaar te krijgen’, zegt Albada met een lach. ‘De meeste papers keken naar dit fenomeen op enkelmolecuulniveau, dus met een atoomkrachtmicroscoop naar één moleculaire interactie. Maar de natuur gebruikt de bindingen multivalent en op macroscopisch niveau, en uiteindelijk bleek dát de sleutel voor het maken van de catch bond.’

Verkeerde parameters

Vier jaar geleden sloegen Joris Sprakel – hoogleraar mechanobiologie aan de WUR die een ERC Consolidator Grant had gewonnen om te werken aan catch bonds – en Albada de handen ineen om de eerste hand te leggen aan dit onderzoek. Maar na veel proberen wilde het niet vlotten. ‘Ook wij begonnen op het enkelmolecuulniveau, maar we zagen niet de eigenschappen die we moesten zien omdat we naar de verkeerde parameters keken.’ Ze legden toen de toepassingen die in papers werden genoemd onder de loep. Die bevatten veel elementen en waren erg ingewikkeld, maar de stap naar het macroscopische moest gezet worden, aldus Albada.

Dat deden ze als volgt (zie afbeelding hierboven: door een microchip met kleine kanaaltjes laat je balletjes stromen. Op de oppervlaktes van de kanaaltjes en de balletjes zitten kleine stukjes DNA. Die zijn zo ontworpen dat als ze complementair zijn, ze een catchbond vormen en stil blijven liggen, zo niet, dan rollen ze verder. Met een speciale setup kun je de interacties van de balletjes met de kanalen aflezen en het gedrag kwantificeren.

Haarspeld

‘We hebben ’t zo ontworpen dat alles gelijk blijft, maar dat je wel met de DNA-strengen kunt spelen’, legt Albada uit. ‘Ons idee was om een DNA-haarspeld te gebruiken voor de catch bond. Die haarspeld kun je opentrekken op een ritsachtige manier, waardoor je een stuk single-strand DNA vrijmaakt.’ Een stukje van het vrijgekomen stuk bindt dan aan een ander stukje DNA dat een sterkere interactie heeft dan de haarspeld: de catch bond.

‘De complicatie was dat onze synthetische catch bond wat zwakker is dan in de biologie. Daarom moesten we naar multivalente systemen om het te kunnen meten.’ Albada geeft het voorbeeld van een gekko die aan een muur kleeft. ‘Vanderwaalskrachten in een gekkopoot zijn één op één ook niet sterk genoeg, ze krijgen pas functie wanneer ze samenwerken en dat geldt ook voor de catch bond.’

De sterspelers in dit onderzoek waren promovendus Martijn van Galen en masterstudenten Taieesa Peshkovsky en Annemarie Bok. Albada: ‘Het was een enorm gevarieerd project, maar Martijn heeft al die dingen in de vingers gekregen. Programmeren, computermodellen maken, organische en oppervlaktechemie, moeilijke setups bouwen, analysescriptjes schrijven. Dat heeft hij echt fantastisch gedaan. Aan de andere kant waren de bijdragen van Annemarie en Taieesa ook cruciaal. Zij voerden de negatieve controles uit met zogenoemde slip bonds, die zich wat klassieker gedragen. Bij die controles ontdekten zij dat je in een macroscopisch systeem niet naar de kracht-levensduur moest kijken maar naar het gedrag van de bolletjes. Martijn heeft toen de eerdere metingen opnieuw geanalyseerd en toen vielen alle puzzelstukjes op hun plek. Je hebt dus echt meerdere mensen nodig om de juiste hoek te vinden.’

Ideale bindingen

Als klap op de vuurpijl vonden ze ook zogenoemde ‘ideale bindingen’. ‘Dat was echt een mooie bijvangst’, zegt Albada. ‘Tussen de catch bonds en de slip bonds zagen we eigenschappen die passen bij de ideale binding, die altijd dezelfde interactie heeft onafhankelijk van externe krachten. Door geldgebrek hebben we het helaas niet verder uitgewerkt, maar omdat we wisten dat anderen hier ook naar op zoek zijn, hebben we onze claim toch neergelegd en die is blijven staan.’

‘Nu we ontdekt hebben hoe we ze kunnen maken, begint het pas echt leuk te worden’, vervolgt Albada. ‘Je kunt de catch bonds finetunen, of anders vormgeven en naar toepassingen gaan zoeken.’ Samen met collega’s denkt hij al aan materialen die onder normale mechanische spanning een bepaalde fluïditeit hebben, maar wanneer de spanning toeneemt dan steviger worden in plaats van zwakker. ‘Hydrogelen zijn een goed voorbeeld. Daarin wordt al DNA verwerkt voor dingen als drug release. Als je zoiets in het lichaam wilt verwerken, dan moeten ze steviger worden als er kracht op komt, maar niet permanent.’

Volgens Albada is het vooral belangrijk bij dit soort projecten dat je een getalenteerde duizendpoot hebt. ‘Je hebt iemand nodig die wil blijven gaan, niet bang is voor nieuwe stappen en de energie heeft om die nieuwe dingen te proberen. Alleen met die combi van commitment, skills en talent kun je zoiets tot het einde brengen. We zijn regelmatig bijna gestopt, maar we bleven geloven in wat we in handen hebben.’

Van Galen, M. et al. (2024) Nat. Chem. DOI: 10.1038/s41557-024-01571-4