Chemici vinden tegendraads effect: hoe verdunnen met water een oplossing juist stevig maakt

Het onderzoek spitst zich toe op de vorming van bepaalde hydrogel. Dat betekent dat je start met een oplossing van, in dit geval, twee stoffen (surfactanten en monomeren) in water. Het onderzoek toont aan dat zich bij een specifieke verhouding van die twee stoffen in water een gel ontstaat. Die gel wordt gevormd doordat zich lange ketens en structuren vormen van beide stoffen. Ook de hoeveelheid van deze stoffen in water, de concentratie, bepaalt waar het omslagpunt zich bevindt van de gelvorming. En zodra de concentratie verlaagd wordt, lost de gel op en vormt zich weer een vloeistof. Tot zover is het bekend terrein.

Wat er echter bijzonder aan is, is dat als je nog verder verdunt, er opnieuw een gel ontstaat. Er vormen zich nu andere supramoleculaire structuren, maar het is weer een hydrogel. En als je die vervolgens nog verder verdunt, wordt het alsnog een vloeistof. In het artikel is heel nauwgezet nagegaan wat de juiste verhoudingen van de actieve stoffen moet zijn, en bij welke concentraties de faseovergangen plaatsvinden. Die overgangen zijn overigens volledig reversibel. Verhoog je de concentraties, dan zie je op precies dezelfde punten de overgangen van vloeistof naar gel, naar vloeistof, naar gel. Dit fenomeen is contra intuïtief en is niet herkend en bekend in de biologie. Het is nu voor het eerst met een simpel systeem grondig uitgezocht en gedocumenteerd. Dat is dan ook de reden dat Science heeft besloten het artikel te plaatsen.

Toevallig ontdekt

Naar deze zogeheten dilution-induced self-assembly werd al zo’n tien jaar onderzoek gedaan in Bert Meijers onderzoeksgroep. Toch was het lastig om deze overgangen in waterige oplossingen te realiseren. Dus, toen Jesús Mosquera en Cyprien Muller in oktober 2019 per toeval ontdekten dat hun oplossing bij verdunning weer een hydrogel werd, was iedereen in de groep verbaasd en enthousiast.

“Het is heel waardevol om aan te tonen, dat datgene wat je leert bij je eerste scheikundelessen niet altijd opgaat. Bij verdunnen worden niet alle gels en oplossingen per definitie steeds vloeibaarder”, zegt Meijer.

Lu Su, eerste auteur van het Science-paper, was direct geïntrigeerd bij het zien van dat resultaat. “Het was een bijzondere, toevallige vondst. Maar ik zag meteen meer mogelijkheden. Wat als het ons zou lukken om een dubbele overgang aan te tonen? Dus van hydrogel, naar vloeistof, terug naar hydrogel en weer naar vloeistof (gel-sol-gel-sol), en dat alleen maar door meer water toe te voegen.”

Het enthousiasme van de jonge onderzoekers werkte aanstekelijk. “Ik moet eerlijk zijn, zelf was ik er niet direct van overtuigd dat we in het initiële onderzoek van Jesús en Cyprien iets bijzonders zouden vinden”, zegt Meijer. “Maar als groepsleider moet je support geven aan jonge onderzoekers en je intuïtie volgen, want je weet maar nooit. Dat is het gekke van onderzoek doen; vaak werkt wat je van tevoren bedenkt niet, maar wat je bij toeval ontdekt doet het wél. Daarom heb ik ze van begin af aan gesteund bij het opzetten en uitwerken van hun onderzoek.”

Lockdowns

De timing van de vondst is belangrijk om te noemen, omdat niet lang daarna heel de wereld te maken kreeg met lockdowns. Ook de labs van de TU/e gingen dicht. Dat gaf Su veel tijd om na te denken hoe ze dat met haar collega’s kon oppakken, nadat Jesús en Cyprien waren vertrokken naar banen in het buitenland. “Met de groep brainstormden we tijdens Teams-overleggen hoe we de experimenten konden opzetten. Samen kwamen we tot een goede opzet voor de aanvullende experimenten.”

Dus, toen de labs in de zomer 2020 weer opengingen, doken ze meteen het lab in om te zien of hun ideeën klopten. “En het bleek te kloppen!”, vertelt Su enthousiast. “Binnen een maand hadden we de basis van onze experimenten gelegd en de gel-sol-gel-sol overgangen aangetoond.”

In de herfst schreven de onderzoekers samen de eerste draft van hun artikel, maar het werk was nog niet af. “Als je iets bijzonders vindt, dan wil je wel graag zeker weten dat het klopt. Daarom heb ik ze aangemoedigd de reproduceerbaarheid écht vast te leggen”, vertelt Meijer.

Dat betekende dat ze op zoek moesten naar de redenen waarom sommige experimenten niet wilden reproduceren. Een nieuwe set experimenten werd opgezet door Su. Helaas kon ze die zelf niet uitvoeren in het chemie lab, vanwege haar zwangerschap, maar konden collega’s dit van haar overnemen. Experimenten werden meerdere keren overgedaan om de resultaten nog betrouwbaarder te krijgen.

Samenwerking

“Het is echt bijzonder hoe er in onze groep, ons ‘dream team’, altijd wel iemand was die wilde helpen. We waren allemaal zo geboeid door dit onderzoek en wilden weten hoe het zat. Ik hielp collega’s, zij hielpen mij, dat maakte dit hele traject zo’n prachtige ervaring,” vervolgt Su.

“Als onderzoeker geeft het ook voldoening als jouw onderzoek in een wetenschappelijk blad staat, dat zo breed en goed gelezen wordt.”

Hoogleraar Bert Meijer

De collegialiteit in de groep en de samenwerking binnen de Nederlandse wetenschappelijke wereld komen vaak terug als je Meijer en Su spreekt, en niet alleen op de werkvloer. Tijdens haar zwangerschapsverlof konden haar ouders niet naar Nederland reizen, vanwege alle coronamaatregelen. Su vertelt: “Ik voelde me zo gesteund door Bert, ook tijdens mijn zwangerschapsverlof. Het betekende veel voor me om me zo welkom te voelen en gesteund te worden door mijn collega’s.”

Bij terugkomst van haar verlof waren er weer wisselingen in het team, omdat collega’s afstudeerden en promoveerden. Shikha Dhiman nam het op zich om de kinetiek van de supramoleculaire structuren in kaart te brengen. En Mathijs Mabesoone, die Su de ‘modelling wizard’ noemt, zorgde voor de modellering van de processen die zich afspelen bij de faseovergangen. Een model dat hij afmaakte aan het einde van zijn promotietraject, terwijl hij al in Zwitserland aan de slag was.

Publicatie en vervolg

“En toen dacht ik, ja nu hebben we alles in handen voor een gedegen publicatie”, vertelt Meijer. “Inmiddels heb ik wel een redelijk gevoel voor wat daarvoor nodig. En ‘Waarom nou in Science?’ zullen sommigen zich afvragen. Ach, het is goed om af en toe aan die ‘wedstrijd’ mee te doen, dat houdt ons scherp. Research is absoluut niet minder waardevol zonder zo’n artikel, begrijp me goed. Maar als onderzoeker geeft het ook voldoening als jouw onderzoek in een wetenschappelijk blad staat, dat zo breed en goed gelezen wordt.”

Volgens Meijer is moeilijk te zeggen hoe omvangrijk het effect gaat zijn van hun vondst, maar dát het de nodige impact zal hebben op de chemie en biologie is zeker. “Dergelijke hydrogels zijn mogelijk goede oplossingen voor bestaande uitdagingen, bijvoorbeeld voor de kweek van stamcellen. In de gel kunnen de cellen dan veilig delen in drie dimensies en als er eenmaal genoeg zijn, dan verdun je de oplossing en kun je de cellen meteen gebruiken. Dat is bijvoorbeeld onderzoek wat we nu aan het doen zijn in de groep van Patricia Dankers. De kunst is dan natuurlijk om de juiste stoffen te vinden die wél dit gedrag vertonen, maar niet reageren op de celwanden of eraan gaan plakken. Zo leidt ons onderzoek weer tot ander onderzoek.”

Het artikel “Dilution-induced gel-sol-gel-sol transitions by competitive supramolecular pathways in water” verschijnt in Science op 8 juli 2022. In hetzelfde issue staat ook een 'Perspective' artikel, genaamd 'Less is more when forming gels by dilution'.

De meeste auteurs werken inmiddels niet meer op de TU/e. Ook Lu Su is recent naar de Universiteit Leiden vertrokken voor een functie als universitair docent. De groep zet het onderzoek voort onder leiding van Bert Meijer en Ghislaine Vantomme.