Nieuw lichtgevend polymeer maakt vervorming zichtbaar

Een polymeer is een parelsnoer van kleine moleculen die chemisch aan elkaar verbonden zijn. Polymeren vormen de basis  van een enorme verscheidenheid aan materialen: van huid, haar en DNA tot de simpelste plastics en meest geavanceerde materialen. De eigenschappen van deze polymeermaterialen worden in grote mate bepaald door hun ruimtelijke structuur, ofwel conformatie. 

Polymeren kunnen zo recht zijn als ongekookte spaghetti, maar ook voorkomen als een kluwen van gekookte spaghetti. Polymeerketens bieden weerstand als hun conformatie veranderd wordt, bijvoorbeeld als ze uitgerekt worden. Deze veerachtige werking is de oorsprong van de rekbaarheid van rubbers, de buigbaarheid van plastics en de stevigheid van het cytoskelet van de cel. Om een polymeerconformatie te veranderen, moet er dus een kracht op het molecuul worden uitgeoefend. Het achterhalen van de precieze polymeerconformaties is echter bijzonder lastig, zeker als de polymeren tussen veel andere stofjes zitten, zoals in een cel.

Vingerafdruk

Een team onderzoekers van de Physical Chemistry and Soft Matter Group van Wageningen University, onder leiding van Joris Sprakel, heeft een nieuw soort polymeren ontworpen dat zijn ruimtelijke structuur rapporteert aan de onderzoekers door middel van het licht dat het uitzendt. Promovenda Hande Cingil voerde het werk aan de in water oplosbare halfgeleidende polymeren uit, die de onderzoekers conjugated polyelectrolytes (CPE’s) hebben gedoopt.

Lichtgevende polymeren bestaan al langer. Ze veranderen van kleur als de conformatie verandert. Bijzonder aan de CPE-polymeren is dat in die kleurverandering nuances zijn waar te nemen. Bij bestraling met UV-licht geven de bestaande polymeren een kleurenspectrum te zien dat eruit ziet als berg met een gladde top. De nieuwe polymeren daarentegen hebben daarentegen een eigen vingerafdruk: ze laten specifieke piekjes zien in het kleurenspectrum. Bovendien verschuiven die piekjes als de ruimtelijke structuur verandert, door bijvoorbeeld uitrekking van het materiaal waar ze in zijn verwerkt. Zo maken de nieuwe polymeren heel kleine krachten op de nanoschaal aantoonbaar.

Kunstvirus

In de publicatie in het prestigieuze Journal of the American Chemical Society demonstreren de Wageningse chemici de werking van hun CPE-polymeren. Ze gebruikten hiervoor een eiwit dat werd ontworpen door hun Wageningse collega’s Renko de Vries en Martien Cohen Stuart. Het eiwit is een sterk versimpelde variant van een kunstmatig virus en bindt net als een biologisch virus aan DNA om dat vervolgens in te pakken. Sprakel: “We hebben het CPE in laten pakken door het eiwit, waardoor het een stijf laagje krijgt, een harnas waardoor het polymeer van vorm verandert. Met simpele en niet-invasieve lichtspectroscopie metingen is nu in detail te bestuderen hoe dit proces verloopt.”

Breuk

De nieuwe soort polymeren zijn breed in te zetten. Er kunnen groepjes moleculen aan gehangen worden voor specifieke toepassingen, zoals het detecteren van eiwitten of toxines. Door de vondst zijn op een compleet nieuwe manier, ook diep binnenin complexe stoffen en materialen, veranderingen in conformatie te bestuderen. Zo kan beter bekeken worden hoe viruseiwitten het DNA dat ze inpakken nou precies oprekken en opvouwen, of hoe heel kleine beschadigingen in polymeermaterialen geleidelijk accumuleren en uiteindelijk leiden tot een breuk in het materiaal.

De onderzoekers zijn op dit moment bezig met fundamenteel onderzoek dat nog een stapje verder gaat dan het laten zien of een polymeerketen is opgerekt. Het moet gaan laten zien waar in de keten die ontkronkeling heeft plaatsgevonden.