Promotieonderzoek: De (kleef)kracht van weekdieren

Steeds vaker laten wetenschappers zich inspireren door de natuur om hardnekkige problemen op te lossen. Mosselen houden zich staande in turbulente getijdenstromen door zichzelf aan de zeebodem vast te lijmen; zo’n watervaste lijm kunnen wij ook goed gebruiken. Promovenda Dina Ribena stortte zich op het geheim van de mossel.

Eeuwenlang is vocht een belangrijke oorzaak geweest van het losraken van lijmverbindingen. Onder invloed van water gaat het plakvermogen van natuurlijke, op eiwitten gebaseerde lijmen geleidelijk achteruit. Moderne, synthetische polymeerlijmen kunnen veel beter tegen vocht, maar dat wil niet zeggen dat je het onder water, onder turbulente omstandigheden zonder problemen kunt gebruiken om dingen aan elkaar vast te lijmen.

Het is daarom des te opmerkelijker dat mosselen blijkbaar een oplossing voor dit probleem hebben gevonden. Deze schaaldieren vestigen zich bij voorkeur op de grens van eb en vloed - waar de getijdenstromen met grote kracht voedselrijk water langs hun hongerig opengesperde schelphelften vloeit. Daarbij lopen ze natuurlijk wel het risico dat ze door de stroming het dodelijke strand opgeslingerd worden, of meegesleurd naar diepe, stromingsloze en voedselarme wateren.

Mosselen hechten zich aan uiteenlopende ondergronden door een unieke mix van plakkerige eiwitten uit te scheiden. Deze verharden zich tot zogeheten byssusdraden, waarmee het weekdier zich muurvast zet en -geholpen door zijn aerodynamische vorm- ongevoelig lijkt voor zelfs de heftigste getijdenstromen.

Wat is het geheim van de mosselen? Hoe krijgen ze voor elkaar wat ons, ondanks al onze technische kennis, nog niet lukt? Wetenschappers en lijmfabrikanten zouden maar wat graag zelf deze wonderlijke kleefstof kunnen maken. De stof ‘oogsten’ uit mosselen is namelijk te duur. Je hebt duizenden mosselen nodig voor een gram zuivere lijmstof, vertelt de Letse promovenda Dina Ribena.

Hoe de tientallen soorten eiwitten in de mossellijm met elkaar samenwerken is volgens haar nog niet duidelijk, maar het is wel zeker dat een aantal van de belangrijkste het zogenaamde DOPA-molecuul bevatten. “DOPA is een stof die in het lichaam wordt omgezet in dopamine, een bekende neurotransmitter die bijvoorbeeld zorgt voor gevoelens van verliefdheid.”

Dopamine is eenvoudig te vervaardigen en dat biedt aanknopingspunten: recent onderzoek wijst uit dat je een breed scala aan materialen eenvoudig van een laagje dopamine kunt voorzien. Ribena: “Je lost dopamine op in water en hangt daar simpelweg het te coaten substraat een tijdje in. Het vormt dan een waterminnend laagje waarop je bijvoorbeeld cellen kunt laten groeien.” En dat biedt mogelijkheden voor allerlei biomedische toepassingen.

Ribena benadrukt dat deze dopaminecoatings niet zozeer geschikt zijn als lijm in de alledaagse betekenis van het woord -je kunt er waarschijnlijk geen zware voorwerpen mee aan elkaar lijmen-, maar een afgeleide van de mossellijm blijkt wel heel geschikt als een soort ‘primer’ (grondverf) waarop een tweede laag (de topcoating, die ook uit een laag cellen kan bestaan) goed hecht.

Dat dopamine hiervoor gebruikt kan worden is heel mooi, maar waarom het werkt -en hoe je de werking dus nog verder kunt verbeteren- is nog allerminst helder. Het werk van Ribena moest hierover meer duidelijkheid verschaffen. Ze voorzag verschillende testoppervlakken (goud en saffier, respectievelijk representanten van edele metalen en metaaloxiden) van verscheidene dopaminecoatings. Dat deed ze in eerste instantie via de hierboven beschreven methode: door ze in een dopamineoplossing te hangen.

De resulterende coatings onderwierp ze aan een minutieus onderzoek, waarvoor ze een hele reeks aan technieken inzette. “Dit soort nanolaagjes is niet eenvoudig te analyseren. Je hebt diverse meetmethoden nodig die samen een compleet beeld geven van wat je hebt gemaakt.” Ribena gebruikte onder meer laser- en röntgenspectroscopie en tastmicroscopen om het oppervlak in beeld te brengen.

Uit die tijdrovende metingen trok ze de conclusie dat ze alleen meer over de mossellijm te weten komt door naar een netter systeem te kijken. Ze voorzag daarom dopaminemoleculen van lange moleculaire staarten, in twee varianten. Die staarten stelde haar in staat om mooie enkellaags coatings aan te brengen middels een mechanisch procedé bekend onder de naam Langmuir-Blodgett (zie kader). Bovendien binden de moleculaire staarten op hun beurt prima aan een conventionele lijmlaag die nodig is om de sterkte van de dopaminehechting te meten.

Ribena voorzag een van de twee dopaminevarianten van een amidegroep, en de ander niet. Het bleek dat die amidegroep voor dwarsverbanden zorgt in de vorm van waterstofbruggen - flexibele verbindingen tussen waterstofatomen van twee staarten. Hierdoor ontstaat een nettere enkele laag, precies wat je wilt als je de stof als primer wilt gebruiken. “De variant zonder amidegroep gaf veel meer onregelmatigheden, dat is belangrijk om te weten omdat de lijm daar minder sterk van wordt.”

Op de mechanisch gecoate substraten staan de moleculen netjes in dezelfde richting, met dopaminekant op het substraatoppervlak geplakt en de staarten hiervan afgericht. “Hierop heb ik vervolgens een topcoating aangebracht. Die maakt crosslinks met de staarten van de dopaminemoleculen. Dat zijn sterke chemische bindingen.” Op deze topcoating lijmde ze vervolgens met een epoxylijm een metalen staafje ten behoeve van een ‘pull-off’-test. “In deze constructie is de hechting van de dopamine aan het substraat het zwakste punt. Door te kijken welke kracht nodig is om het staafje los te trekken, kun je dus de kleefkracht van de dopaminelijm bepalen.”

De promovenda vertelt dat veel onderzoekers niet de moeite nemen om de coatings die ze maken aan realistische tests te onderwerpen. Om zinnige uitspraken te kunnen doen over de kleefkracht moet je het systeem opschalen - je kunt wel met een tastmicroscoop individuele moleculen lostrekken, maar dat is niet maatgevend voor wat er op macroscopisch niveau gebeurt. “Slechts een klein percentage van de onderzoekers komt met realistische cijfers.”

Uit Ribena’s tests blijkt dat haar op mossellijm gebaseerde primer er voor zorgt dat de topcoating zo’n drie keer beter op een metalen ondergrond (een aluminiumlegering) blijft zitten dan wanneer je de betreffende coating direct op het metaal aanbrengt. “Dat heb ik getest op de manier waarop ze het in de industrie ook doen; het is niet helemaal wetenschappelijk, maar het is wel een mooi resultaat. Ik ben er dan ook van overtuigd dat dit onderzoek een vervolg krijgt.” En dat laatste is voor haar belangrijk: “My dream is that this research will live.”

Bron: