Alle microscopische objecten, van enzymen tot verfdeeltjes, zijn constant aan het trillen, gebombardeerd door oplosmiddeldeeltjes:dit wordt Brownse beweging genoemd. Hoe verandert deze beweging als het object flexibel is in plaats van star? Ruben Verweij, Pepijn Moerman, en collega's publiceerden de eerste metingen in Fysiek beoordelingsonderzoek .

Botanicus Robert Brown gaf zijn naam aan de zenuwachtige bewegingen die hij stuifmeelkorrels zag maken toen hij ze in 1827 onder zijn microscoop bestudeerde. Vanaf dat moment, de eigenschappen van Brownse beweging zijn intensief bestudeerd:ze worden veroorzaakt door snel bewegende watermoleculen die botsen op de langzamer bewegende deeltjes, zoals werd uitgelegd door Einstein en Perrin in de vroege jaren 1900.

Brownse beweging beïnvloedt ook biologische microscopisch kleine deeltjes, zoals enzymen, RNA, en antilichamen. De meeste hiervan zijn niet star maar flexibel:ze kunnen van vorm veranderen en daardoor hun functie.

Hoe beïnvloedt dat hun Brownse beweging? Voorspellingen uit de jaren 80 konden lange tijd niet worden getest, omdat experimentele modelsystemen met goed gedefinieerde vormveranderingen, groot genoeg om waar te nemen, bestond nog niet.

Kralen ter grootte van een micrometer

Dit verandert met de publicatie van Verweij en Moerman, een samenwerking met Willem Kegel, Jan Groenewold en Alfons van Blaaderen van de Universiteit Utrecht. "We hebben het eenvoudigste modelsysteem gebouwd dat denkbaar is voor flexibele objecten van micrometerformaat, die je ook onder een lichtmicroscoop kunt bestuderen, ’ zegt Verweij.

De groep van Daniela Kraft gebruikt colloïden:bolletjes ter grootte van een micrometer die in water bewegen en met een microscoop kunnen worden waargenomen. De groep ontwikkelde een methode om colloïden in een lipide dubbellaag te coaten met ingevoegde DNA-moleculen, die selectief kunnen koppelen aan DNA-moleculen rond een ander colloïddeeltje. Dit creëert een scharnier dat vrijelijk van vorm kan veranderen omdat de lipide dubbellaag rond de deeltjes vloeibaar is.

Een reeks van drie colloïden, op deze manier gekoppeld, is het modelsysteem. "Het is gemakkelijk om de flexibiliteit onder de microscoop te zien, door de hoek te volgen die de drie maken, ", zegt Verweij. Hij filmde zo'n 30 van deze drieling terwijl ze aan het diffunderen waren, in beweging, roterend, en sluiten en openen onder het bombardement van omringende watermoleculen.

Quasi-scallop-modus

De video's zijn geanalyseerd, wat de eerste experimentele vergelijking opleverde tussen starre en flexibele Brownse beweging. Het eerste resultaat:flexibele deeltjes bewegen iets sneller dan stijve. "Het is een klein maar meetbaar verschil, ongeveer drie procent. Belangrijker, we vonden bepaalde koppelingen tussen vormveranderingen en verplaatsingen, " zegt Verweij. De betekenis hiervan is subtiel, en Verweij probeert het uit te leggen. "Als een sint-jakobsschelp zijn schelp actief sluit, het zal naar voren bewegen in de richting van het scharnierpunt. We vonden een vergelijkbare correlatie voor onze kleine scharnieren, die slechts passief bewegen, en noem het de Brownse quasi-scallop-modus."

Hoewel subtiel, de onderzoekers observeren een duidelijke statistische correlatie tussen de Brownse opening en sluiting, en de beweging die de triplet maakt. Deze correlaties waren voorspeld, en zijn nu eindelijk bevestigd.

Stijf versus flexibel

Eindelijk, de auteurs bestudeerden het effect van tijd. Flexibele trimeren in een uitgebreide configuratie bewegen sneller langs hun lange as dan langs hun korte as, net als harde deeltjes. Voor harde deeltjes, dit effect verdwijnt na verloop van tijd vanwege hun rotatiebewegingen. Voor flexibele deeltjes, dit proces gaat sneller omdat ze ook van vorm veranderen, waardoor deze voorkeursrichting gelijk wordt.

De snelheid waarmee dit gebeurt, daarom, hangt sterk af van de flexibiliteit. "Het gaat van ongeveer 30 seconden voor stijve deeltjes tot 10 seconden voor flexibele deeltjes, ’ zegt Verweij.

"Dit soort metingen zijn belangrijk, omdat veel biologische moleculen ook flexibel zijn, en de interactie tussen hen hangt hiervan af. Bijvoorbeeld, de lock-and-key montage tussen een eiwit en een receptor kan worden beïnvloed door Brownse vormveranderingen."

Complexe clusters

Bovendien, flexibele colloïde-scharnieren kunnen worden gebruikt als modellen voor eenvoudige moleculen, waar atomen gekoppeld zijn. Maar hoewel moleculen niet kunnen worden opgelost met een microscoop, de colloïden kunnen.

De resultaten en de methoden kunnen uiteindelijk bruikbaar zijn voor onderzoek naar medicijnen en ziekten, maar, benadrukt Verweij, dit is fundamenteel onderzoek, primair gericht op het begrijpen van de onderliggende fysieke processen.

"Nu willen we langere en complexere clusters onderzoeken, bijvoorbeeld van vier bollen. In dat geval, er zijn meer vrijheidsgraden, wat het gedrag natuurlijk nog complexer en interessanter maakt."