Polymeerketen geeft kracht op één molecuul weer.

‘We meten nu niet meer zwart of wit maar, bij wijze van spreken, vijftig tinten grijs’, stelt de Wageningse onderzoeker Joris Sprakel. Zijn groep, physical chemistry and soft matter, bedacht een molecuul dat trekkrachten kwantitatief weergeeft met een resolutie van 300 fN. Je moet er krachten in ‘zachte’ biologische weefsels mee kunnen meten die je tot nu toe alleen theoretisch kon voorspellen, schrijven ze in Chem onder de titel Light from within.

Sprakel zegt mede op het idee te zijn gekomen dankzij een buurman op het lab die werkte aan lichtgevende polymeren voor zonnecellen. Meerdere promovendi zijn er daarna vier jaar mee bezig geweest. In het begin werkten ze met oplossingen in een cuvet. En sinds kort lukt het om één afzonderlijk molecuul uit te lezen.

Lichtroze

Je kunt het zien als een variatie op Förster resonance energy transfer (FRET), waarbij fluorescentie optreedt zodra een donor- en een acceptorgroep dicht genoeg bij elkaar zitten om energie uit te wisselen. In dit geval maken die groepen allebei deel uit van één en hetzelfde ketenmolecuul dat voornamelijk bestaat uit een afwisseling van dioctylfluoreen en benzothiadiazool. Van zichzelf fluoresceert deze combinatie groen wanneer je haar beschijnt met blauw (laser-)licht. Maar ze kan tevens functioneren als energiedonor. Als acceptor zit er hier en daar een dithienylbenzothiodiazoolgroep tussen. In combinatie met de donoren levert dat fluorescentie op die volgens Sprakel door menselijke waarnemers wordt ervaren als lichtroze.

Van nature rolt zo’n ketenmolecuul zichzelf op tot een kluwen, en om die uit elkaar te trekken is een zekere kracht nodig. Wanneer je dat doet, vermindert het aantal donoren dat binnen bereik van een acceptor in de keten zit. De intensiteit van de roze fluorescentie zal dus verminderen terwijl de groene ongeveer gelijk blijft. Uit de verhouding tussen de hoeveelheden roze en groen licht kun je afleiden hoe ver het molecuul is opgerekt. Daaruit volgt weer de kracht die op dat moment wordt uitgeoefend op de uiteinden.

Het molecuul meet traploos

Er zijn meer moleculen bedacht die bij een bepaalde kracht vervormen. Maar die kenden vaak maar twee standen en waren slechts één keer te gebruiken omdat ze na afloop niet terugveerden. Het nu gepresenteerde molecuul doet dat wel, en meet bovendien traploos. Dat de fluorescerende groepen verwerkt zitten in het centrale koolstofskelet, werkt daarbij stabiliserend. Je kunt ze vrij lang beschijnen met een laser zonder dat ze beschadigd raken en uitdoven. Bij klassieke FRET-experimenten, waarbij de groepen aan zijketens hangen, is de pret veel sneller voorbij.

Klikchemie

‘Ik heb een achtergrond in de fysische chemie van zachte materialen’, legt Sprakel uit. ‘Dat vakgebied gaat voor een groot deel over het begrijpen hoe je de macroscopische eigenschappen van zo’n materiaal instelt: wanneer wordt het zacht en wanneer hard?’ Aan daadwerkelijk meten in zacht weefsel is hij nog niet toegekomen. ‘Wat we nu gedaan hebben is het allersimpelste. Gewoon vermengen met een andere kunststof, die we konden uitrekken. We gaan nu alkynen monteren aan de uiteinden zodat we de ketens via klikchemie kunnen inbouwen in celstructuren.’

Om te beginnen gaat hij nu samen met een bioloog kijken naar de embryonale ontwikkeling van plantencellen. ‘We weten dat minuscule krachten bepalen wanneer een cel gaat delen en in welke richting.’ Door die krachten te meten in cellulosebindende peptides in celwanden, hoopt hij dat in kaart te brengen.