Moleculaire vormverandering: nieuwe theorie over autonome hermodellering van structuren

Structuren gemaakt van bouwstenen kunnen van vorm veranderen en autonoom zichzelf organiseren naar een nieuwe configuratie. De natuurkundigen Saeed Osat en Ramin Golestanian van het Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization (MPI-DS) onthulden dit mechanisme dat kan worden gebruikt om moleculaire organisatie actief te manipuleren. Een kiem van de nieuwe gewenste configuratie is voldoende om reorganisatie op gang te brengen.

Dit principe kan worden toegepast op biologische bouwstenen die voortdurend worden hergebruikt om nieuwe structuren in levende systemen te vormen.

Het concept van verbouwen is bij de meeste mensen bekend: degenen die ooit met legosteentjes hebben gespeeld, weten dat er veel combinaties en structuren mogelijk zijn met dezelfde componenten.

Meestal beschrijft een bijgevoegde handleiding de opstelling van de afzonderlijke blokken en de vorm van de uiteindelijke constructie. Het aanvankelijk monteren van slechts enkele onderdelen kan daardoor al bepalend zijn voor de manier waarop alle andere onderdelen moeten worden bevestigd. “Ons model beschrijft de herschikking van bouwstenen in fysieke systemen vanuit een bepaalde structuur”, legt Saeed Osat, de eerste auteur van het onderzoek, uit. “Als er maar een paar stukjes in een bepaalde structuur worden veranderd, functioneren ze als een kiem die resulteert in een geheel nieuwe compositie.”

Net als in een Lego-handleiding zijn er bepaalde regels over hoe de blokken moeten worden gerangschikt. In het model van de onderzoeker zijn de montage-instructies afgeleid van een lijst van mogelijke moleculaire interacties. Deze zijn afhankelijk van de energietoestand van het systeem, de grootte van het zaadje en de niet-wederzijdse interacties tussen de componenten.

“Onder bepaalde omstandigheden kunnen we dan een veelsoortige reorganisatie in nieuwe vormen waarnemen”, legt Ramin Golestanian, hoofd van de afdeling Living Matter Physics en directeur van de MPI-DS, uit. “We hebben een nieuwe leerregel geïdentificeerd die ervoor zorgt dat structuren dynamisch van vorm veranderen, afhankelijk van de niet-wederzijdse interacties tussen hun onderdelen.”

In de biologie gebeurt het herschikken van bouwstenen constant. In plaats van complexe structuren als een geheel op te ruimen, worden ze gedemonteerd in hun afzonderlijke delen die worden gebruikt om nieuwe composities op te bouwen. Het model kan dus helpen om de principes van zelforganisatie in levende materie te begrijpen. Evenzo kan het principe van niet-evenwichtssynthese en autonome zelfassemblage nuttig zijn bij het bedenken van technische strategieën om moleculaire robotachtige vormveranderaars te ontwerpen.

Het werk wordt gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie.