Levende cellen voeren de ingewikkeldste reacties uit. Dat inspireert katalyseonder­zoekers om een nieuw soort nanokooien te ontwerpen.

‘Het ideaalbeeld van een chemische reactie is: één oplosmiddel, één substraat, één katalysator en één product’, vertelt Joost Reek, hoogleraar homogene en supramoleculaire katalyse van de Universiteit van Amsterdam. ‘Maar een levende cel doet complexe reacties in aanwezigheid van veel verschillende eiwitten en substraten en weet tóch selectief diverse producten te maken. De natuur gebruikt daarvoor enzymen, verfijnde nanokooien met het actieve centrum op de juiste plaats. Wij hopen die principes na te bootsen.’

Kooi om katalysator

Volgens Reek kun je op de natuur gebaseerde nanokooien op diverse manieren bouwen. ‘Je kunt ze maken van organische bouwstenen of door metaalcomplexen en organische fragmenten te assembleren. Vervolgens stop je daar achtereenvolgens de katalysator en het substraat in. Dat is best lastig, omdat het substraat de katalystor eruit kan duwen.’ Reek en collega’s ontwikkelden al in 2001 een andere strategie. ‘Je bouwt de kooi om je katalysator heen, en zet hem vast met zwakke interacties. Zo hoef je alleen nog maar het substraat er op het juiste moment bij te voegen.’

‘We willen nanosferen inzetten in de farma en fijnchemie’

Sinds die eerste publicatie verkenden Reek en zijn team allerlei varianten op die methode. Zijn meest recente én meest veelzijdige manier verscheen twee jaar geleden in Nature Chemistry, aldus de chemicus. ‘We gebruiken gebogen bispyridine-achtige fragmenten die in aanwezigheid van palladium of platina vanzelf een bolvormige structuur vormen’, legt Reek uit. ‘Aan de binnenkant binden we vervolgens een aantal katalysatormoleculen. Dit blijkt een positief effect te hebben op de efficiëntie van diverse reacties, zoals goud gekatalyseerde cyclisatiereacties en wateroxidatiekatalyse.’ Daarnaast kun je ook het substraat niet-covalent binden in de nanokooi. Reek: ‘Net zoals in een enzym oriënteer je het substraat op deze wijze ten opzichte van de katalysator en dat kan een hogere activiteit en selectiviteit geven.’

Verder onderzoekt de Amsterdamse hoogleraar met zijn groep momenteel zogenoemde hybride systemen. ‘Daarbij decoreren we de binnenkant van de kooi met peptidefragmenten, zodat je een eiwitachtige omgeving krijgt. Met dit soort kruisingen tussen biologische en synthetische systemen willen we nog beter begrijpen hoe eiwitkooien in de natuur werken, en hopelijk biedt dat nieuwe mogelijkheden om uitdagingen in katalyse op te lossen.’

Fouten herstellen

Het idee van katalyse in nanokooien geïnspireerd door de natuur is nu alleen nog fundamenteel, maar de toepassingen zingen volgens Reek al rond in de katalyse­wereld. ‘Zelf kijken we nu met industriële partners hoe we de nanosferen kunnen inzetten in de farmaceutische en fijnchemiesector. Denk daarbij bijvoorbeeld aan geur- en smaakstoffen produceren.’

Nog mooier is de nanokooien uiteindelijk te kunnen inbrengen in het menselijk lichaam. Reek: ‘In het geval van stofwisselingsziektes kun je dan met behulp van katalysatoren fouten herstellen. Een tekort aan bepaalde metabolen kun je bijvoorbeeld aanvullen en een overvloed van een product kun je omzetten naar iets onschadelijks. En dan is de cirkel rond; een op de natuur gebaseerd concept om een biologisch probleem op te lossen!’

Van 8 tot 13 juli vindt in Amsterdam het ISHC XXI plaats, een congres rondom homogene katalyse. Kijk voor meer informatie op www.ishc21.amsterdam.