Natuurlijke regenjas in nieuw licht

Hydrofobines, kleine grensvlakeiwitten die alleen door draadvormige fungi (‘schimmel’) worden geproduceerd, zijn nog maar recentelijk onder de aandacht gekomen van Konrad Meister, Amolf postdoc in de ultrasnelle-spectroscopiegroep van Huib Bakker. "Tijdens mijn literatuuronderzoek naar hydrofobines kwam ik erachter hoe uniek deze eiwitten eigenlijk zijn", aldus Meister. "De moleculen zelf-assembleren in robuuste microscopische films die uitzonderlijke eigenschappen vertonen, zoals zeer hoge stabiliteit en elasticiteit." Dankzij deze eigenschappen en door het feit dat hydrofobines een ‘amfifiel’ oppervlak (waterafstotend van buiten en waterminnend van binnen) vormen, kunnen schimmels zich in zoveel verschillende omgevingen redden."

Hoe hydrofobines, die pas begin jaren negentig zijn ontdekt, zich aan elkaar hechten en een sterk elastisch membraan vormen, is nog niet geheel bekend. Dit komt voornamelijk omdat vloeistofoppervlakken moeilijk te bestuderen zijn en de meeste spectroscopie-technieken het eenvoudigweg niet aankunnen. "Het grootste probleem met deze technieken is dat ze niet oppervlakspecifiek genoeg zijn", zegt Meister. "De signalen worden volledig gedomineerd door moleculen in de onderliggende vloeistof, waar we niet in geïnteresseerd zijn. Er zijn maar een paar technieken die moleculaire grensvlakken selectief kunnen onderzoeken."

De groep van Bakker is erin geslaagd om met behulp van een speciale techniek, zogeheten niet-lineaire som frequentie generatie (SFG) spectroscopie, de door hydrofobine gevormde oppervlakken te bestuderen. "Onzichtbare infrarode (IR) lichtpulsen worden gecombineerd met zichtbare (VIS) lichtstralen en afgevuurd op het specimen. Er wordt zo een nieuwe lichtstraal gegenereerd met een frequentie gelijk aan de som van de infrarode en zichtbare pulsfrequenties, maar alleen als de frequenties van het infrarode licht resoneren met de moleculaire vibratiefrequenties van de geordende moleculen op het grensvlak, in dit geval geassembleerde hydrofobines. Dit aspect maakt onze techniek zeer oppervlakspecifiek."

Variëren van de oriëntatie van moleculen

Het team bevestigde met hun metingen dat de structuur van de hydrofobinelaag zeer robuust en geordend is. Het belangrijkste resultaat was echter het waarnemen van een sterke relatie tussen de oriëntatie van de individuele hydrofobine-moleculen en de zuurgraad van het water waarop de hydrofobinefilm drijft. Deze ontdekking is het resultaat van een collaboratie met Steven Roeters en Sander Woutersen van de Universiteit van Amsterdam (UvA). Berekeningen uitgevoerd door Roeters en Woutersen konden direct worden vergeleken met de experimentele resultaten van Meister. Meister benadrukte dat de door de zuurgraad geïnduceerde scheefstand van de hydrofobines alleen kon worden waargenomen omdat de hydrofobines werden gemeten in hun natuurlijke (waterhoudende) omgeving, oftewel drijvend op een waterige fase.

Hoe hoger de zuurgraad van de waterfase, ontdekten Meister en Roeters, hoe meer de stand van de individuele eiwitten kantelde. "We zagen ook dat door de heroriëntatie de elasticiteit van het oppervlak verminderde", aldus Meister. "Het lijkt er dus op dat we door middel van een externe factor – in dit geval de zuurgraad – de eigenschappen van hydrofobinefilms nauwkeurig kunnen afstemmen".

Designer-microfilms

Deeltjes waarvan de oppervlakken twee (of meer) afzonderlijke eigenschappen hebben, trekken vaak de aandacht van industriële partijen, zoals de chemie- en levensmiddelenindustrie, die altijd op zoek zijn naar verbeterde emulsies. Om aan de vraag van deze industrieën te voldoen, hebben synthetische chemici zogenoemde ‘Janusdeeltjes’ vervaardigd door een hydrofobe (waterafstotende) functionele groep aan hydrofiele (waterminnende) groep te binden. Het is echter moeilijk om met deze tegenovergestelde eigenschappen een stabiele coating te maken. Daarom vervaardigen chemische bedrijven zoals BASF momenteel hydrofobines van schimmels. "Nu we hebben ontdekt dat we de structuur van hydrofobines kunnen beïnvloeden door de pH-graad te veranderen, hebben we een nieuwe manier om hydrofobinefilms te maken met de gewenste visco-elastische eigenschappen", zegt Meister. "Dit kan uiteindelijk leiden tot de productie van nieuwe designer-microfilms."

Konrad Meister, Steven J. Roeters, Arja Paananen, Sander Woutersen, Jan Versluis, Géza R. Szilvay en Huib J. Bakker, Observation of pH-induced protein reorientation at the water surface, Journal of Physical Chemistry Letters, DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b00394.