Universiteit Leiden

nl en

De zwerftocht van het micro-scharnier

Brownse beweging is het voortdurend bewegen van microscopisch kleine objecten door een bombardement van de omringende deeltjes. Maar hoe verandert deze beweging als het object flexibel is in plaats van rigide? Ruben Verweij, Pepijn Moerman en collega's publiceren nu de eerste metingen.

De trillende beweging van stuifmeelkorrels is vernoemd naar botanicus Robert Brown, die ze in 1827 onder zijn microscoop onderzocht. Inmiddels is de Brownse beweging tot in detail bestudeerd. Hij wordt veroorzaakt door snel bewegende watermoleculen die tegen de tragere deeltjes aanbotsen, toonden Albert Einstein en Jean Baptiste Perrin aan rond het begin van de twintigste eeuw.

Ook biologische microscopische deeltjes, zoals eiwitten, RNA en antilichamen, ondergaan Brownse beweging. De meeste daarvan zijn niet rigide maar flexibel: ze kunnen van vorm veranderen (en daarmee ook van functie).

Heeft die flexibiliteit ook invloed op de Brownse beweging? Voorspellingen uit de jaren tachtig over die vraag konden tot nog toe niet gecontroleerd worden, vanwege het ontbreken van modelsystemen met vormveranderingen die ook groot genoeg zijn om waar te kunnen nemen.

Microscharnier

Kralen van een micrometer

Dit verandert nu met de publicatie door LION-natuurkundigen Ruben Verweij en Daniela Kraft, in samenwerking met Pepijn Moerman, Willem Kegel, Jan Groenewold en Alfons van Blaaderen van de Universiteit Utrecht. 'Wij hebben het eenvoudigst denkbare systeem gebouwd voor micrometer grote flexibele objecten, dat je ook kunt onderzoeken met een microscoop', zegt Verweij.

Krafts onderzoeksgroep gebruikt colloïden: micrometer grote kralen die rond kunnen bewegen in water en die je met een microscoop kunt observeren. De groep heeft een methode ontwikkeld om deze colloïden te voorzien van een dubbellaag van lipiden met daarin DNA-moleculen. Deze kunnen selectief koppelen aan DNA-moleculen rond andere colloïden, en dat levert een soort scharnier op die vrij van vorm kan veranderen, omdat de lipidenlaag zelf vloeibaar is.

Het modelsysteem is een trimeer, een rijtje van drie colloïdedeeltjes die op deze manier aan elkaar gekoppeld zijn. 'Je kunt de flexibiliteit gemakkelijk onder de microscoop observeren, door de hoek te meten die de drie deeltjes maken', zegt Verweij. Hij filmde ongeveer dertig van zulke deeltjes terwijl ze door het water zwierven, bewegend, draaiend, openend en sluitend onder het bombardement van watermoleculen.

Schema van het microscharnier

Eindelijk bevestiging

Een analyse van de video's leverde de eerste vergelijking op tussen rigide en flexibele Brownse beweging. Eerste resultaat: flexibele deeltjes bewegen iets sneller dan rigide. Verweij: 'Maar dat is maar een klein verschil, ongeveer drie procent.'

'Belangrijker is dat we bepaalde koppelingen vonden tussen de vormveranderingen en de verplaatsing.' Wat dat precies betekent, legt hij uit. 'Als een schelp actief zijn schelp dichtklapt, beweegt hij naar voren in de richting waar de scharnier naar wijst. Wij vonden een vergelijkbare correlatie voor onze micro-scharnieren, ook al bewegen die alleen passief. We noemen dat de Brownian quasi-scallop mode.'

Dat is een subtiele, maar duidelijke correlatie tussen het Brownse openen en sluiten, en de beweging van het deeltje. Deze correlaties waren al voorspeld, maar zijn nu eindelijk bevestigd.

Zwervende microscharnieren

Deze video kan niet worden getoond omdat u geen cookies heeft geaccepteerd.

Verlaat onze website om deze video te bekijken.

Rigide en flexibele deeltjes

Tot slot onderzochten de onderzoekers het gedrag op langere duur. Flexibele deeltjes in een uitgestrekte configuratie bewegen sneller langs de lengte-as dan langs de korte as, net als rigide deeltjes. Over langere tijd middelt dit richtings-effect uit voor rigide deeltjes vanwege draaibewegingen. Voor flexibele deeltjes blijkt dit uitmiddelen nog sneller te gaan, omdat ze ook van vorm veranderen. 

'De tijd waarover de voorkeursrichting verdwijnt, gaat van ongeveer 30 seconden voor rigide deeltjes, naar 10 seconden voor flexibele', zegt Verweij.

'Metingen als deze zijn belangrijk omdat veel biologische moleculen ook flexibel zijn, wat hun interacties beïnvloedt. Zo kan de sleutel-in-slot-interactie tussen een eiwit en een receptor beïnvloed worden door Brownse vormveranderingen.'

Ruben Verweij

Complexe clusters

Bovendien kunnen de flexibele colloïde-scharnieren fungeren als modelsysteem voor simpele moleculen als water, waar de atomen ook aan elkaar gekoppeld zijn. Waar moleculen te klein zijn om met een microscoop te bestuderen, zijn colloïden dat niet.

Resultaten en methoden zouden uiteindelijk nuttig kunnen zijn voor onderzoek naar medicijnen en ziektes, zegt Verweij. Maar, benadrukt hij, dit is fundamenteel onderzoek, in de eerste plaats gericht op het begrijpen van de onderliggende processen.

'Nu willen we graag langere, complexere clusters onderzoeken, bijvoorbeeld met vier colloïden. In dat geval zijn er meer vrijheidsgraden, wat het gedrag natuurlijk complexer en interessanter zal maken.'

Ruben W. Verweij, Pepijn G. Moerman, Nathalie E. G. Ligthart, Loes P. P. Huijnen, Jan Groenewold, Willem K. Kegel, Alfons van Blaaderen, and Daniela J. Kraft, 'Flexibility-induced effects in the Brownian motion of colloidal trimers',  Phys. Rev. Research 2, 033136, 24 July 2020

Tekst: Bruno van Wayenburg

Deze website maakt gebruik van cookies.  Meer informatie.