Zwaartekracht bepaalt draairichting moleculaire wokkels

Voor het eerst is aangetoond dat zwaartekracht een rol speelt bij de vorming van molecuulclusters en dat het zelfs mogelijk is om deze hiermee naar believen links- of rechtsdraaiend te maken. Van veel (bio)chemische stoffen bestaan twee verschillende versies die precies elkaars spiegelbeeld zijn, maar die biologisch heel andere effecten kunnen hebben. Niemand weet precies te verklaren hoe die spiegelbeelden ooit zijn ontstaan.

Zwaartekracht in combinatie met ronddraaien lijkt nu een rol te kunnen spelen, blijkt uit een experiment in het Nijmeegse High Field Magnet Laboratory (HFML). De onderzoekers deden een groeiexperiment waarbij ze platte kleurstofmoleculen (porfyrines) aan elkaar lieten clusteren. Door de zwaartekracht te variëren met behulp van een sterk magnetisch veld én het potje met opgeloste moleculen te draaien kunnen ze naar believen links- of rechtsdraaiende molecuulclusters maken. Ze zien er een beetje uit als wokkels - of het spiegelbeeld ervan. Opmerkelijk is dat draaien alleen niet voldoende is om één versie van de wokkel te krijgen. Ook het magneetveld alleen kan de truc niet voor elkaar krijgen. Kennelijk gebeurt er iets bijzonders door de combinatie.

Omgedraaide zwaartekracht

De supermagneten in het HFML (het magnetenlaboratorium dat gezamenlijk gerund wordt door de Radboud Universiteit Nijmegen en de stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM)) - zijn zo sterk dat ze niet-magnetische materialen kunnen laten zweven. Denk aan de beroemde kikker. In feite wordt dan de zwaartekracht tegengewerkt.
Het is ook mogelijk om de zwaartekracht om te keren. Niet overal in de magneet is de kracht namelijk even groot, waarvan de onderzoekers handig gebruik hebben gemaakt: ze schoven een hele testbatterij potjes in de magneet. Hierdoor was in één potje de zwaartekracht gewoon normaal, in andere juist groter dan normaal, terwijl er ook potjes waren met kleinere of zelfs een omgekeerde zwaartekracht. Alle potjes werden zo op precies dezelfde manier naar rechts gedraaid - alleen bij de tegengestelde zwaartekracht was de beweging omgekeerd ten opzichte van de g-kracht, en was dus eigenlijk linksom. De ontstane wokkels draaiden keurig in de richting waarin de vloeistof ten opzichte van het zwaartekrachtveld bewogen had.

De onderzoekers zijn nu druk bezig uit te zoeken wat het precieze mechanisme is achter deze vondst, wat belangrijk is omdat ze denken dat ze ook andersoortige chirale structuren op bestelling kunnen maken in hun magneet.

Linkerhand in rechterhandschoen

Bij het maken van veel stoffen ontstaat een mengsel van de links- en rechtsdraaiende variant van dezelfde stof. ‘Chiraliteit', noemen chemici deze eigenschap dat stoffen twee precies spiegelbeeldige varianten kunnen hebben, die echter niet op elkaar te passen zijn. Zoals een rechterhand en een linker.
En zoals een linkerhand niet in een rechterhandschoen past, zo kan het zijn dat een linksdraaiend molecuul in het lichaam iets heel anders doet dan zijn rechtsdraaiende spiegelbeeld. Het beruchte medicijn Softenon had in de ene variant de gewenste eigenschap tegen zwangerschapsmisselijkheid; de andere veroorzaakte mismaakte baby's. Geen wonder dat medicijnen sindsdien in hun verschillende chirale varianten getoetst moeten worden.

Voor gevorderden: echt en vals chiraal

De resultaten van het onderzoek worden op 12 februari gepubliceerd in Nature Chemistry. Nature Chemistry laat de publicatie vergezeld gaan van een News & Views, een teken dat het tijdschrift het zelf een buitengewoon belangwekkende ontdekking vindt. De chirale wokkels zijn namelijk gemaakt met een combinatie van krachten die zogeheten ‘vals chiraal' is. Als je het gehele proces terug zou spoelen in de tijd dan draait de chiraliteit van de krachtencombinatie ook om. Dit geeft aan dat de invloed van deze krachten eigenlijk helemaal niet chiraal is en dus ook geen chiraal effect zou mogen hebben.
Tientallen jaren geleden was voorspeld dat zo'n valse chiraliteit onder bepaalde omstandigheden toch in staat is om chirale structuren te maken, maar het was nog nooit aangetoond dat dit ook echt mogelijk was. Nu dus wel. Wetenschappers zijn opgetogen.

Selection of supramolecular chirality by application of rotational and magnetic forces, N. Micali, H. Engelkamp, P. G. van Rhee, P. C. M. Christianen, L. Monsu-Scolaro and J. C. Maan