Nobelprijs scheikunde 2016 voor Ben Feringa

Een Nobelprijs gaat naar baanbrekend onderzoek. Waarom heeft de Nederlander Ben Feringa samen met twee vakgenoten de Nobelprijs gewonnen voor scheikunde? Zij hebben vernieuwend werk verricht, want zij hebben een moleculaire machine bedacht en gemaakt, die op commando bewegingen kan maken. Dit zou in de toekomst gebruikt kunnen worden in de medische wetenschap, bijvoorbeeld bij het inbrengen van medicijnen op een gerichte plaats in het lichaam.

Nobelprijs scheikunde 2016

Ontwerp en synthese van moleculaire machines. Het onderzoek is uitgevoerd door drie onderzoeksgroepen. Tezamen hebben zij een Nobelprijs gekregen, aangezien zij vernieuwend onderzoek hebben verricht op het vlak van de nanotechnologie. De onderzoeksresultaten zouden belangrijke toepassingen kunnen krijgen in de medische wereld.

Onderzoekers

• Ben Feringa (Nederland, scheikundige)
• Fraser Stoddart (Groot-Brittannie, scheikundige)
• Jean-Pierre Sauvage (Frankrijk, scheikundige)

Achtergrond Nobelprijs

De Nobelprijs is voor het eerst ingesteld in 1895 uit de nalatenschap van Alfred Nobel. In 1901 werd op de sterfdag van Nobel, 10 december, de eerste Nobelprijs uitgereikt. Alfred Nobel, een scheikundige die o.a. het dynamiet uitvond, had tijdens zijn leven een enorm vermogen vergaard. Hij heeft bepaald dat er een fonds opgericht moest worden ter ondersteuning van belangrijk wetenschappelijk onderzoek. De rente van zijn vermogen is ruim voldoende om jaarlijks de prijswinnaars een hoog bedrag te kunnen meegeven, ongeveer 1 miljoen euro per discipline. Het prijzengeld is bestemd voor vervolgonderzoek.

Achtergrond bij het onderzoek

De kleinste onderdelen van alle stoffen zijn elementen, zoals waterstof, zuurstof, koolstof. Deze kunnen met elkaar reageren, omdat de één van nature meer positief geladen is (hij heeft minder negatief geladen elektronen om zich heen) en de ander is negatief geladen (die heeft extra negatief geladen elektronen). Plus en min trekken elkaar aan als een magneet. Normaal gesproken worden moleculen gevormd door deze natuurlijke aantrekkingskrachten tussen de deeltjes onderling. Het werken op atomaire en eenvoudige moleculaire schaal wordt ook wel nanotechnologie genoemd.

Het onderzoek gaat over het ontwerp en synthese van moleculaire machines

De onderzoekers zijn er als eerste in geslaagd om moleculen op niet-natuurlijke wijze te ontwerpen en te maken (synthese). Zij konden deze moleculen ook nog eens zelf aansturen door ze te laten bewegen onder invloed van bijvoorbeeld licht en elektronen.

Jean-Pierre Sauvage

Sauvage was er met zijn medewerkers in 1983 in geslaagd om moleculen als ringen in elkaar te klikken, doordat moleculen naar elkaar werden aangetrokken door een soort lokstof, een geladen koperdeeltje. Hierbij maakte hij gebruik van twee geopende ringstructuren, die door het koper naar elkaar toe werden getrokken en dicht konden klikken, waarbij een ringstructuur ontstond. Nadat de ringen vastgeklikt waren, werd het koper verwijderd en had je twee (of meer) in elkaar gesloten ringen, die beweeglijk zijn. Hij verkreeg op deze manier een moleculaire ketting.

Fraser Stoddart

De onderzoeksgroep van Stoddart kreeg het in 1994 voor elkaar om een positief geladen ringvormig molecuul met een kleine opening om een ander langwerpig molecuul te krijgen, die op twee plaatsen negatief geladen is. Het ringvormige molecuul werd gesloten en de positief geladen ring springt voortdurend van de ene negatieve plaats naar de andere. Hij benoemde deze combinatie rotaxaan. Het rotaxaan is in staat om als een moleculaire lift andere stoffen een zetje te geven.

Ben Feringa

Feringa slaagde er in 1999 in om 2 vastgebonden cirkelvormige moleculen, die alleen op een punt vastzaten te maken. Rondom dat punt kan het molecuul als om een ronddraaiende as om elkaar draaien onder invloed van UV licht. Omdat er bij de halve moleculen een stukje uitsteekt, kan na een halve omwenteling het molecuul niet meer terug en kan het alleen maar een kant verder draaien. Het molecuul blijft zo voortdurend één kant op draaien. Vier van deze draaiende moleculen heeft hij vervolgens geconstrueerd, de zogenaamde moleculaire fourwheeldrive. In 2014 kon deze constructie 12 miljoen omwentelingen per seconde maken onder aansturing van elektronen, die erop af werden gevuurd, vergelijk een elektrische aandrijving.

Wat is er zo bijzonder aan dit onderzoek?

De onderzoekers zijn in staat gebleken om de natuurwetten van moleculaire reacties te omzeilen en zelf zodanig aan moleculen te sleutelen, dat zij de moleculen kunnen aansturen om te laten bewegen. Er zijn op dit moment echter nog wel allerlei omstandigheden, die het onderzoek lastig maken. Zo moet er bij extreme lage temperaturen gewerkt worden (vlak bij het absolute nulpunt, -273 0C), want moleculen trillen ten opzichte van elkaar, en hoe warmer hoe meer trillingen en dat beïnvloedt het moleculaire bouwproces. En er is een metalen ondergrond (koper) nodig om de zg. fourwheeldrive zich ergens tegen af te laten zetten en in een rechte lijn erover te laten voortbewegen en dat verschilt met de natuurlijke omstandigheden in levende cellen.

Toepassing

Ben Feringa voorziet dat deze nanomoleculen in de toekomst een rol kunnen gaan spelen in de medische wereld. Bijvoorbeeld om bepaalde stoffen of medicijnen naar een specifieke plaats te brengen in de cel. Hij is echter nog wel wat terughoudend, want er moet nog veel getest worden om de werking en toepassing van de nanodeeltjes te optimaliseren.