Synthetisch materiaal werpt nieuw licht op hoe vloeistoffen zich scheiden
Hailin Fu vond per toeval het chemische systeem dat zich gedraagt als celorganellen met goed gedefinieerde gescheiden vloeistofgebieden in een waterige oplossing. Ze volgde het spoor van de wetenschap tot het einde en beschrijft haar ontdekkingsreis en die van haar collega's in een nieuw artikel dat zojuist verscheen in Nature.
Het komt zelden voor dat in een Nature-artikel alle auteurs van hetzelfde instituut komen. Dat in het nieuwe Nature-artikel van Hailin Fu en Bert Meijer alleen TU/e-onderzoekers voorkomen, getuigt van de originaliteit van hun bevindingen en de sterke samenwerkingsverbanden aan onze universiteit. “Dit is voor zover wij weten de eerste keer dat iemand dit gedrag beschrijft in synthetische supramoleculaire polymeren”, zegt Fu. “Dit synthetische systeem zou een platform kunnen worden waarmee we organische materialen onderzoeken om hun gedrag beter te begrijpen en te manipuleren. Dit kan het begin zijn van een nieuw onderzoeksgebied.”
Om te begrijpen waarom Hailin Fu en Bert Meijer zo enthousiast zijn over deze bevindingen en hun artikel in Nature, moeten we bij het begin beginnen.
Vloeistof-vloeistof fasescheiding klinkt misschien heel wetenschappelijk en ingewikkeld. Maar je kunt dit scheidingsproces thuis al zien als je een druppel olie in een glas water doet. De vloeistoffen mengen zich niet, tenzij je krachtig roert. En als je ze met rust laat, vormt de olie vanzelf weer afzonderlijke druppels in het water. In de wetenschap staat dit bekend als vloeistof-vloeistof fasescheiding.
Fasescheiding in cellen
Dit proces gebeurt ook met materialen die, in tegenstelling tot olie, opgelost kunnen worden in water. Een bekend voorbeeld zijn de afzonderlijke delen in een organische cel.
In het vak biologie leren we op school dat er binnenin de cel verschillende gebieden zijn, de celorganellen. En dat elk celorganel heeft verschillende functies en inhoud. Ze zijn allemaal opgelost in het celplasma, dat grotendeels uit water bestaat.
Toch clusteren de gebieden nog steeds samen en vormen ze afzonderlijke eilandjes binnen het celplasma. Dit is ook een vloeistof-vloeistof fasescheiding en dat is het soort dat Fu per ongeluk tegenkwam en bestudeerde.
“Toen ik besloot om naar Nederland te verhuizen om mijn onderzoek bij ICMS te doen, had ik een heel ander plan,” vertelt Fu. “In de VS, waar ik promoveerde en mijn eerste postdoc plaats kreeg, bestudeerde ik vooral polymeren. Supramoleculaire polymeren, waarbij polymeren vezels en ketens vormen door aan elkaar te plakken zonder chemische bindingen, waren nieuw voor mij en iets dat ik beter wilde begrijpen.”
“Mijn professor Yao Lin aan de Universiteit van Connecticut stelde voor dat ik naar Nederland zou gaan om mijn academische carrière hier te vervolgen. Ik kende Bert Meijer van een lezing die hij in de VS gaf en was geïntrigeerd. Dat is de reden waarom ik hier vandaag met Bert werk.”
Van complex naar eenvoudig
“Ik begon de bekende vloeistof-vloeistof gescheiden waterige oplossingen zoals ze in de natuur voorkomen te onderzoeken met supramoleculaire polymeren om ze te stabiliseren. Daarbij zag ik intrigerende resultaten die mij fascineerden. Bert stelde toen voor om over te schakelen op een minder complex systeem om het fenomeen in meer detail te bestuderen.”
“Toen besloot ik over te schakelen op de UPy-oplossing. In het polymerensysteem dat ik koos om te bestuderen, keek ik naar wat er gebeurt met een druppel van mijn oplossing (zie kader over UPy) in water”, vervolgde Fu. “En toen zag ik dit vreemde fenomeen, waarbij er gebieden waren met een hogere concentratie polymeren en gebieden met een transparantere vloeistof.”
Meijer vult aan: “De UPy-oplossing is een suprapolymeer systeem dat we op onze universiteit voor veel onderzoek gebruiken, voor zowel oplossingen, hydrogels als materialen en het is een systeem dat we heel goed kennen. Je kunt dit zien als een blanco canvas voor ons om mee te werken aan ons onderzoek en dat van SupraPolix. Patricia Dankers gebruikt bijvoorbeeld het UPy-platform in haar onderzoek en als basis voor haar werk bij UPyTher.”
De UPy-oplossing
Het is bekend dat supramoleculaire polymeren homogene oplossingen en gels vormen onder respectievelijk verdunde en geconcentreerde omstandigheden, of neerslaan als ze niet voldoende oplosbaar zijn in het gebruikte oplosmiddel.
Dit is extra verassend vanwege de overeenkomsten van supramoleculaire polymeren met biologische fibrillen.En vanwege hun enorme potentieel voor biomedische toepassingen, als vaste materialen of als met medicijnen geassembleerde nanostructuren en biofunctionele hydrogels.
In haar onderzoek gebruikte Hailin Fu polymeren gebaseerd op ureido-pyrimidinone (UPy) patronen als bouwstenen. Deze patronen kunnen waterstofbruggen vormen die de zelfassemblage van de supramoleculaire polymeren stimuleren. In hogere concentraties kunnen ze zo supramoleculaire hydrogels vormen.
Bij het bestuderen van het fenomeen dat in het artikel wordt beschreven, gebruikte Fu 1 wt% ureido-pyrimidinone glycine (UPy-Gly) in een waterige oplossing, met een kleine fractie van de kleurstof UPy-Cy5 (< 0,1 mol%). Hierdoor kon ze 's nachts de overgang observeren van een homogene oplossing naar een heterogene oplossing met hoge concentraties in de tactoïde-vormige gebieden en lage concentraties van het polymeer daarbuiten.
Door de oplossing in de tijd te volgen, ontdekte ze dat er een kritische lengte van supramoleculaire fibrillen (ongeveer 1,7 ± 1,1 μm) nodig is om de vorming van tactoïden in de oplossing waar te nemen.
Extra variaties in de concentratie en kleurstoffen werden gebruikt om het proces te versnellen of om andere gebieden van de tactoïden te accentueren om ze te bestuderen en te documenteren. Het artikel beschrijft de details van deze variaties, voor alle geïnteresseerden.
Vaarwel druppels! Hallo tactoïden!
En opnieuw zag Fu de vreemde vormen verschijnen in de UPy-oplossing die ze in haar eerdere werk had gezien. Zowel Fu als haar TU/e-collega's herkenden de vormen niet, maar ze was geïntrigeerd door hun verschijning en besloot dat het een goed idee was om uit te zoeken wat er voor zorgde dat ze verschenen.
De vormen die ze vond, lijken op langwerpige rijstkorrels, tactoïden genoemd. Fu: “Dat is vreemd, want meestal zie je dat wanneer oplossingen niet willen mengen, ze ronde druppels vormen, maar dat was hier niet het geval.”
“De geavanceerde optische meetopstelling, met een laser, gepolariseerd licht en beeldvormingstechnieken en een microscoop (zie kader over de beeldvorming), hielp me om de kleinste details van het proces te onderzoeken en in kaart te brengen wat er gebeurde in het materiaal en in de vormen (tactoïden) die we zagen”, zegt Fu.
Tactoids – lachen naar het vogeltje!
Om de interne en externe structuur van de tactoïden te zien en te meten, gebruikte het team gepolariseerde fluorescentiemicroscopie en POLCAM-metingen (POLarization CAMera). Voor de experimenten werd gebruikt gemaakt van een Nikon Eclipse Ti2. Deze maakt deel uit van de geavanceerde microscoopfaciliteiten van ICMS.
De microscoopopstelling met gepolariseerd licht is ontworpen en gebouwd door Yuyang Wang, de manager microscopiefaciliteiten van ICMS, die op hoog niveau ondersteuning biedt aan TU/e-onderzoekers. Deze microscoop is ook een onderzoeksmicroscoop binnen de Molecular Biosensing groep van Peter Zijlstra.
Deze baanbrekende methode maakt ontdekkingen zoals beschreven in dit artikel mogelijk. Daarmee konden Fu en haar collega’s de ordening van de fibrillen binnen de tactoïden te achterhalen.
“En de discussies in onze groep hebben ook geholpen”, merkt Fu op. “Vooral samen zitten en discussiëren over wat er misschien gebeurde en wat dit kon betekenen, heeft me erg geholpen. Niet alleen door te praten met degenen die geloofden dat ik iets nieuws op het spoor was.”
“Maar juist de gesprekken met kritische collega’s moedigden me aan om steeds weer terug te gaan naar mijn resultaten en theorieën, om er zeker van te zijn dat alles klopte. Ik heb nooit opgegeven om te proberen te begrijpen wat er in mijn oplossingen gebeurde.”
Meijer voegt eraan toe: “Ik maakte me even zorgen omdat haar onderzoek lang duurde. We proberen er altijd voor te zorgen dat de carrières van onze onderzoekers niet ontsporen, vooral die van onze jonge collega's. En ik wilde er zeker van zijn dat ze iets bereikte met al het werk dat ze bij ICMS heeft gedaan. Ik ben zo blij dat het haar gelukt is en ik ben zo trots op het werk dat ze heeft verricht en haar doorzettingsvermogen!”
De ontdekking
Nu is dus gebleken dat Fu een manier heeft ontdekt om stabiele, synthetische eilanden van polymeren te maken in een waterige oplossing, omgeven door water met een veel lagere concentratie polymeren. En voor zover we nu weten is dit de eerste keer dat dit als zodanig is geïdentificeerd en beschreven in synthetische supramoleculaire polymeren.
Meijer: “Naarmate Hailin vorderde met haar onderzoek, begonnen we ons in het team te realiseren dat we dit effect allemaal al eerder hadden gezien. Onze oplossingen werden soms een beetje troebel als ze een nacht in het lab hadden gestaan.”
“Dat losten we dan op door 's ochtends even goed te schudden om ze weer te mengen en daarna gingen we verder met ons werk. Niemand van ons had bedacht om dit grondig te bestuderen, voordat zij dat deed.”
Fu: “Dat is ook de feedback die ik kreeg op het artikel toen we het indienden. Het leest als het nauwgezette dagboek van een ontdekkingsreis, en dat is het eigenlijk ook. En dat is spannend, want het is een beetje als het beschrijven van een witte vlek op de kaart.”
Wat betekent dit nu?
Dat betekent ook dat het een beetje moeilijk is om te voorspellen of haar resultaten zullen leiden tot toekomstige toepassingen. Het lijkt waarschijnlijk dat haar methodologie en materialen een goed platform vormen om de interacties en het gedrag van organische materialen met dergelijke synthetische tactoïden te bestuderen. Bijvoorbeeld om methoden voor medicijnafgifte of celmanipulatie te testen.
“En er zijn ook nog dingen te onderzoeken over de supramoleculaire polymeren zelf”, voegt Meijer toe. “We zien dat sommige vezels zich structureren aan de randen van de tactoïden. Ze staan allemaal netjes loodrecht op het glasoppervlak en dat gedrag begrijpen we nog niet. Ik ben zo benieuwd naar de oorzaak hiervan.”
“Het werk laat ook zien dat het dogma dat natuurlijke en synthetische polymeren verschillend zijn, niet meer waar is. Ze volgen dezelfde natuurkundige wetten en zijn allemaal gemaakt van de elementen C, H, N, O, S en P. De nieuwe systemen kunnen we samen met biologisch weefsel gebruiken. Ze kunnen helpen om veel biologische systemen te verklaren, omdat ze zoveel eenvoudiger zijn.”
Het eind is nog niet in zicht
Dat geeft stof tot nadenken en interessante nieuwe onderzoeksrichtingen lonken. Fu gaat ze volgen aan haar nieuwe universiteit waar ze als assistent-professor de leiding neemt en zich richt op onderzoek naar de fysische chemie van supramoleculaire polymeren en macromoleculen aan Westlake University in China.
“Ik kijk uit naar die nieuwe uitdagingen in de herfst. Ik hoop dat ik de gulle en coöperatieve manier van werken die ik in Nederland heb ervaren met me mee kan nemen. Want mijn werk - ons werk - wordt er zoveel beter van.”
Ook bij ICMS worden plannen gemaakt om het onderzoek voort te zetten. “Er zijn een paar ideeën, maar we zullen zien wat we kunnen oppakken”, voegt Meijer toe. “Dit is nog lang niet het einde van ons onderzoek. Met de technieken en laboratoria die we hebben, zou het zonde zijn om nu te stoppen. Ik zou vooral graag meer willen weten over de vezels op het oppervlak van de tactoïden, hun uitlijning en het ‘waarom’ van hun ontstaan.”
De toekomst zal uitwijzen of deze toevallige ontdekking een grote invloed zal hebben op het gebied van biochemie en supramoleculaire materialen.
Het wetenschappelijke artikel Supramolecular polymers form tactoids through liquid–liquid phase separation van auteurs Hailin Fu, Jingyi Huang, Joost J. B. van der Tol, Lu Su, Yuyang Wang, Swayandipta Dey, Peter Zijlstra, George Fytas, Ghislaine Vantomme, Patricia Y. W. Dankers, en E. W. Meijer verscheen in Nature op 28 februari 2024.
Het laatste nieuws
