Nanodrupjes blijken de sleutel tot de aansturing van membraanvorming

Het ontstaan van membranen is van enorm belang in de levende natuur, maar ook in veel door mensen ontwikkelde chemische toepassingen. Dit soort membranen ontstaat vanzelf, doordat zeepachtige moleculen in water zich aaneenrijgen. Onderzoekers van de TU Eindhoven hebben dit proces nu precies in beeld gekregen. Membraanvorming blijkt te beginnen bij nanodrupjes in het water met een hogere concentratie zeepachtige moleculen. Wie grip heeft op die nanodrupjes, kan vorm, dikte en grootte van de membranen sturen, wat van groot belang is voor onder meer de ontwikkeling van nieuwe nanomedicijnen. De resultaten staan in Nature Chemistry.

Biologische membranen, en door mensen gemaakte varianten, bestaan uit amfifiele moleculen, waarvan zeep een voorbeeld is. Die moleculen hebben een kop die zich hecht aan water, maar een staart die zich afkeert van water. Je kunt je voorstellen dat een groepje van dit soort moleculen in water, het liefste de staarten bij elkaar steekt, en de koppen naar buiten, naar het water. Soortgelijke processen zorgen ook voor het ontstaan van membranen. Vaak zijn ze bolvormig, zoals liposomen, waardoor je er bijvoorbeeld een medicijn in kunt stoppen. En ook het ultieme membraan, de celwand, is op soortgelijke wijze opgebouwd.

Hoe nano-druppels zelfassembleren

Tot nu toe werd de vorming van ‘micellen’ gezien als de eerste stap van membraanvorming. Een micel is een extreem kleine bolvormige structuur (ca. 100 nanometer) van amfifiele moleculen – allemaal met de staarten naar binnen en de koppen naar buiten. De onderzoekers van de TU Eindhoven ontdekten echter een ander begin: het ontstaan van nanodrupjes in het water met een hogere concentratie amfifiele moleculen. Op het grensvlak van dat drupje nemen de amfifiele moleculen elkaar als het ware bij de hand: eerst vormen ze bolletjes, die veranderen daarna in pijpjes of plaatjes, en daaruit ontstaat een aaneengesloten wandje dat het nanodrupje omsluit. Met deze zogeheten ‘zelf-assemblage’ is het drupje een liposoom geworden.

Video volgt zelfassemblage met elektronmicroscoop

Het onderzoeksteam voorspelde deze uitkomst op basis van een wiskundig model en computersimulaties, en zagen het vervolgens bevestigd met een zeer speciale vorm van elektronenmicroscopie. Daarmee konden ze filmpjes maken van de vorming van liposomen. Omdat de gangbare amfifiele moleculen zelfs voor deze vorm van miscroscopie te klein zijn om waar te nemen, gebruikten de onderzoekers veel grotere moleculen, die op dezelfde manier werken (block co-polymeren).

Toepassingen

Volgens de onderzoekers zijn hun nieuwe inzichten fundamenteel om de zelfassemblage van membranen beter te kunnen sturen. Ze verwachten de kennis dan ook terug te zien in een breed pallet aan toepassingen. Hoogleraar Nico Sommerdijk, een van de onderzoekers, denkt onder meer aan nanomedicijnen, waaronder betere manieren om kankermedicijnen op de juiste plek in het lichaam af te geven, door ze in te kapselen in liposomen.

Liquid-liquid phase separation during amphiphilic self-assembly, Alessandro Ianiro, Hanglong Wu, Mark van Rijt, Paula Vena, Arthur Keizer, Catarina  Esteves, Remco Tuinier, Heiner Friedrich, Nico Sommerdijk en Joseph Patterson (allen Technische Universiteit Eindhoven). DOI: 10.1038/s41557-019-0210-4