‘Trap niet in de val van nut en bruikbaarheid’, laat Adri Minnaard, organisch chemicus en directeur van het Stratingh Instituut voor Chemie van de Rijksuniversiteit Groningen, desgevraagd weten. ‘Vermoedelijk maakt crenarchaeol de membraan slechter doorlaatbaar en dat is alleen van belang voor het leven onder meer extreme condities. Het molecuul wordt geen medicijn, geen materiaal en als je crenarchaeol wilt gebruiken, kun je het uiteindelijk beter uit sediment isoleren dan chemisch maken. De hoofdvraag van ons onderzoek was of moleculen van een dermate complexiteit door chemici gemaakt kunnen worden.’

Want complex is het: crenarchaeol bestaat uit een ring van 66 atomen, 22 chirale centra, 4 vijfringen en een zesring. Áls zo’n molecuul al in de natuur voorkomt, dan toch zeker in minuscule hoeveelheden en in een exotisch organisme? ‘Mis’, zegt Minnaard. ‘We zien het molecuul in archaea van het geslacht thaumarchaeota: ééncelligen die je in iedere liter zeewater aantreft. En gezien de hoeveelheid zeewater op aarde, plus de gigantische hoeveelheid sediment waarin dit molecuul bewaard blijft, betekent dit dat het molecuul een van de meest voorkomende complexe organische stoffen op aarde moet zijn.’

‘Dit molecuul moet een van de meest voorkomende complexe organische stoffen op aarde zijn’

De structuur van crenarchaeol werd in 2002 voor het eerst beschreven door Jaap Sinninghe Damsté en collega’s van het NIOZ (Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee). Hoewel crenarchaeol dus alomtegenwoordig is, is de concentratie in sediment en zeewater extreem laag en was een intensieve isolatiecampagne nodig om voldoende materiaal in handen te krijgen voor bruikbare NMR-spectra. Minnaard: ‘De structuuropheldering van crenarchaeol was een enorm gepuzzel vanwege die ringen. Maar ook omdat het een koolstofatoom omringd door vier verschillende koolstofsubstituenten (een chiraal quaternair koolstofatoom, red.) bleek te bevatten. Dat is hoogst ongebruikelijk bij deze verbindingen.’ Eenmaal gepubliceerd, werd crenarchaeol een iconisch molecuul in de organische geochemie.

Bob de Bouwer-reflex

Minnaard maakte kennis met crenarchaeol toen hij Jaap Sinninghe Damsté ontmoette tijdens de uitreiking van diens Spinozapremie in 2004. ‘Als natuurstof-syntheticus ben ik behept met de Bob de Bouwer-reflex: kunnen we het maken?’ Crenarchaeol leek Minnaard echter een maatje te groot, niet in het minst omdat geen van de grote natuurstofsynthesegroepen in de wereld aanstalten leek te maken om deze noot te kraken.

Crenarchaeol verdween echter nooit helemaal uit Minnaards zicht. Structuurelementen ervan komen ook voor in stoffen uit tuberculosebacteriën – ‘een ondoorgrondelijk gegeven trouwens’ – en die zijn een belangrijk onderwerp in zijn onderzoeksgroep. ‘Jeffrey Buter was destijds promovendus in mijn groep en besloot, in het kader van een NMR-studie, om samen met de mensen van het NIOZ crenarchaeol opnieuw te isoleren en met de inmiddels sterk verbeterde NMR-technieken de structuuropheldering te herhalen.’ Dit bleek ook om een andere reden een gouden greep: Buter begeleidde student Mira Holzheimer tijdens haar afstudeerproject en toen zij het molecuul op het computerscherm zag, riep ze volgens Minnaard uit: ‘This one I want to make!’

‘De hoofdvraag van ons onderzoek was of moleculen van een dermate complexiteit door chemici gemaakt kunnen worden’

Holzheimer begon in 2016 als promovendus aan de synthese van crenarchaeol door het molecuul in gedachten in stukken te knippen en daarna de synthese als het ware ‘retro’ te ontwerpen. Door gebruik te maken van de enigszins verstopte symmetrie in het molecuul, kon ze het aantal benodigde bouwstenen terugbrengen, maar niettemin bleef er nog een reusachtig aantal reactiestappen over. In de daadwerkelijke synthese die volgde, moest elk van de 22 stereocentra correct, dus volgens de analyse van Sinninghe Damsté, worden gemaakt én daarvoor een sluitend bewijs worden geleverd. Minnaard: ‘Dit vereiste zelfs de controle van de gebruikte commerciële uitgangsstoffen. Iedereen kan een foutje maken, nietwaar?’ Ook moest Holzheimer voor het fragment met het ‘quaternaire koolstofatoom’ een nieuwe reactie ontwikkelen, want dit kon niet met het bestaande reactie-repertoire.

Stekelvarken

Na meer dan drie jaar hard werken was het grootste deel van crenarchaeol gemaakt, waaronder het fragment met het quaternaire koolstof erin. Holzheimer zat al ruim boven de vijftig synthesestappen en duidde crenarchaeol inmiddels aan als ‘het stekelvarken’. ‘Op dat moment, ergens in 2019, rees de twijfel of we door vergelijking van synthetisch en natuurlijk crenarchaeol wel zouden kunnen bepalen of de structuur, en dan met name de stereochemie, volledig correct was’, vertelt Minnaard. Collega’s op het NIOZ braken daarom een zeer kleine hoeveelheid van het natuurlijke isolaat gecontroleerd af en vergeleken het door middel van gaschromatografie en massaspectrometrie met het synthetische halffabrikaat. Dat werd een tragedie: de fragmenten bleken niet identiek.

‘De synthese kostte uiteindelijk meer dan 65 stappen en ringsluitingsreacties op minder dan een milligramschaal’ 

Na dagenlange heranalyse van alle synthesestappen bleek dat juist de stereochemie van het chirale quaternaire koolstofatoom in natuurlijk crenarchaeol andersom zat. De structuur zoals oorspronkelijk voorgesteld was dus in een van de 22 centra net andersom. Minnaard: ‘De synthese overnieuw doen, nu met de andere stereochemie op die koolstof, zou natuurlijk crenarchaeol opleveren, maar zeker een jaar duren. Dat jaar hadden we niet. We besloten de synthese van onze versie af te maken om daarmee ondubbelzinnig te bewijzen dat natuurlijk crenarchaeol er nét iets anders uitzag dan aangenomen.’

Die synthese kostte uiteindelijk meer dan 65 stappen en ringsluitingsreacties op minder dan een milligramschaal. Dankzij de NMR-expertise van Pieter van der Meulen en Johan Kemmink konden Holzheimer en Minnaard in maart dit jaar toch bruikbare spectra opnemen. ‘Als kers op de taart presteerde Remco Havenith uit ons instituut het om, zelfs voor dit uiterst complexe en flexibele molecuul, opvallend congruente NMR-spectra te berekenen’, zegt Minnaard. Daarmee werd nog eens onderstreept dat alles in de structuur van crenarchaeol correct was bepaald, behalve dan de stereochemie van dat ene koolstofatoom.

Het is het besluit van een heroïsch verhaal over een zoektocht die in 2004 begon bij de Spinoza-uitreiking aan Jaap Sinninghe Damsté. Een zoektocht ook die, ondanks dat ene foutje, in feite succesvol was, uitgaande van het geformuleerde doel om te kijken of iemand zo’n complex molecuul kon synthetiseren. ‘Mira bouwt inmiddels in de groep van Alois Fürstner aan het Max Planck Instituut in Mülheim aan haar volgende molecuul’, besluit Minnaard. ‘En ik ga goed luisteren naar onze nieuwe Spinoza-laureaat Marc Koper. Alhoewel, dat kan me een boel tijd gaan kosten, bedenk ik me nu.’