FOK! wetenschap: Moleculen organiseren zichzelf

De hele wereld bestaat uit moleculen: de lucht, de aarde, niet-levende materie en levende materie. En dat zit hem in de soort moleculen. Waar niet-levend materiaal voornamelijk bestaat uit kleine moleculen of uit relatief simpele opeenvolgingen van kleine moleculen, bestaat levend materiaal of materiaal afkomstig van organismen voornamelijk uit lange moleculen opgebouwd uit ingewikkelde opeenvolgingen van kleine moleculen.

Een vraag waar wetenschappers zich al jaren over buigen is wanneer en hoe deze moleculen ‘op het idee zijn gekomen’ om deze lange, ingewikkelde structuren te maken. Over de wanneer-vraag zijn goede schattingen te maken door te kijken naar fossielen en oude aardlagen, maar daarover gaat dit stukje niet. Dit stukje gaat over de hoe-vraag. Hoe kunnen moleculen zichzelf nou zo organiseren dat ze lange moleculen gaan vormen?

Op die vraag is al sinds begin 1900 een antwoord gevonden en dat antwoord is plastic. We kunnen nu al meer dan honderd jaar plastic maken en plastic is een stof die bestaat uit een heel lange opeenvolging van moleculen. Plastics worden gemaakt door kleine moleculen in een speciaal organisch oplosmiddel met elkaar te mengen waarna deze aan elkaar gaan zitten (het zogenaamde polymeriseren). Helaas helpt dit ons nog niets bij het vraagstuk, want de aarde is geen plek waar organische oplosmiddelen veel voorkomen of voorkwamen.

Wetenschappers zijn na de uitvinding van plastic niet stil blijven zitten. Er zijn groepen wetenschappers doorgegaan met de studie naar zelforganiserende moleculen: moleculen die puur door hun eigen eigenschappen een gestructureerde vorm aannemen en dan bij voorkeur in water. Deze zoektocht heeft geleid tot het onderzoek van Nicholas Hud en zijn collega's dat vorige week gepubliceerd werd, waarin ze een stof omschrijven die zichzelf in water lange polymeren (strengen) vormt. Hoe hebben ze dit voor elkaar gekregen? Zoals bijna altijd in de wetenschap is er veel werk aan vooraf gegaan. Door onderzoek zijn er belangrijke eigenschappen gevonden waaraan een molecuul moet voldoen om zichzelf te organiseren in water. Eén van die eigenschappen blijkt het hydrofoobgehalte van een molecuul te zijn, dat groter moet zijn dan één vierkante nanometer (één nanometer is 0,000000001 meter). Ik hoor je denken: "hydrowattus?" Hydrofoob betekent dat iets niet in water oplosbaar is. Met andere woorden: hydrofobe moleculen zitten liever niet in een waterige omgeving. Nu is één vierkante nanometer nog best een groot oppervlak in de wereld van moleculen. Om zo’n groot hydrofoobvlak te krijgen heb je grote- en relatief ingewikkelde moleculen nodig. Met dit soort ingewikkelde moleculen is het gelukt om zelforganiserende structuren te krijgen. Deze bevinding was voor de wetenschappers nog niet genoeg; het doel was om simpele, zelforganiserende moleculen te vinden.

Wat deze groep wetenschappers uiteindelijk heeft ontdekt zijn twee moleculen genaamd TAPAS (ja, geen grap, hoewel de officiële naam 2-succinate 4,6- diaminopyrimidine is) en het molecuul CA. Deze TAPAS en CA vormen samen een klein ringetje genaamd TAPAS₂CA₃ en dat ringetje heeft als bijzondere eigenschap, je raadt het al, een hydrofoobvlak groter dan een vierkante nanometer.

Deze stoffen samen maken bij de juiste concentratie lange moleculen van meer dan één micrometer lang, wat in de moleculenwereld behoorlijk lang is. Sterker nog: dit zijn de langst gerapporteerde zelforganiserende moleculen in water. Naast deze eigenschap lijken ze ook nog eens op de moleculen waar RNA uit bestaat. Deze wetenschappers denken dat er best weleens een voorloper van RNA geweest kan zijn die spontaan ontstaan is (de onderdelen van RNA zelf hebben deze eigenschappen niet, maar sommige varianten van RNA mogelijk wel).

RNA is een tussenproduct dat ontstaat als DNA wordt afgelezen. Dit RNA wordt vervolgens weer afgelezen om eiwitten te maken. Naast slechts een tussenproduct voor informatieaflezing, kan RNA ook het bestandsdeel zijn van actieve stoffen: zogenaamde RNAzymes (of RNA-enzymen). Wetenschappers denken daarom al langer dat het leven is begonnen bij RNA. Dankzij de zelforganiserende moleculen die deze wetenschappers hebben gevonden, lijken we weer een stapje dichterbij het antwoord komen op de vraag hoe moleculen afkomstig van levend materiaal ‘op het idee zijn gekomen’ om lange, ingewikkelde structuren te maken.