Wie had gedacht dat rupsenkeutels het hart van scheikundigen sneller zouden laten kloppen? En toch is dat precies wat er aan het RIKEN-instituut is gebeurd. De Japanners toverden insecten om tot kruipende miniatuurfabriekjes om ultrakleine koolstofstructuren op een geheel nieuwe manier te bewerken.
De verrassende aanpak heet ‘in-insect-synthese’ en is bedacht door hoofdonderzoeker Kenichiro Itami. De methode heeft volgens collega-scheikundigen veel potentie. Het lijkt de weg vrij te maken voor een totaal nieuwe vorm van moleculaire productie.
Krachtige koolstof
Nanokoolstoffen zijn minuscuul kleine structuren, opgebouwd uit enkel koolstofatomen. Ondanks hun formaat zijn ze sterk, geleiden ze stroom en kunnen ze zelfs fluorescerend licht uitzenden. Deze eigenschappen maken ze razend interessant voor toepassingen in de luchtvaarttechnologie, ultralichte batterijen en geavanceerde elektronica. Alleen is het enorm lastig om deze structuren precies op te bouwen zoals je voor ogen hebt. Eén verkeerde stap en hun precieze vorm stort in elkaar. Het is alsof je een kaartenhuis probeert te bouwen terwijl iemand je constant in de rug port.
Wat gebeurt er als je nanokoolstof aan een rups voert?
Itami’s team had al ervaring met het ontwikkelen van moleculen die effect hebben op dieren en planten. Maar tijdens een brainstorm ontstond een bijzonder idee: wat zou er gebeuren als je nanokoolstof zou voeren aan een insect? Op het eerste gezicht lijkt het een absurd plan, maar de gedachte erachter is logisch. Veel plantenetende insecten, zoals rupsen, hebben complexe enzymen in hun darmen waarmee ze plantenstoffen, gifstoffen en pesticiden afbreken. Die enzymen kunnen dingen die wetenschappers in het lab vaak niet voor elkaar krijgen.
Glow in the dark-keutel
Dus namen de onderzoekers een bekende en beruchte landbouwplaag, de tabaksrups, onder hun hoede en gaven hem eten waaraan een speciaal soort nanokoolstofmolecuul was toegevoegd: een molecuul met de vorm van een riem, genaamd [6]MCPP. Twee dagen later roerden de wetenschappers door de uitwerpselen van de rupsen en tot hun verbazing troffen ze daarin een nieuw molecuul aan: [6]MCPP-oxyleen. Het enige verschil met het origineel was dat er een extra zuurstofatoom aan hing. Maar dat ene atoom maakt een wereld van verschil: het nieuwe molecuul is fluorescerend.
Met technieken zoals massaspectrometrie, kernspinresonantie (NMR) en röntgenkristallografie brachten de onderzoekers de structuur van het nieuwe molecuul minutieus in kaart. En uit vervolgonderzoek bleek dat twee enzymen, CYP X2 en X3, verantwoordelijk waren voor de bijzondere chemische bewerking. Zonder deze enzymen gebeurde er niets. En wat misschien nog wel bijzonderder was: computermodellen lieten zien dat deze enzymen in staat zijn om twee [6]MCPP-moleculen tegelijk vast te houden en daar direct een zuurstofatoom aan vast te plakken; iets wat nog nooit eerder in deze vorm was waargenomen. Pogingen om deze reactie in een gewoon laboratorium na te bootsen liepen keer op keer op niets uit of leverden slechts een minieme opbrengst van de gewenste stof op.
Chemie met levende systemen
De ontdekking past perfect in de filosofie van het RIKEN Pioneering Research Institute, namelijk het verleggen van grenzen met nieuwe methodes. Waar chemici vroeger met reageerbuizen en katalysatoren werkten, ligt de toekomst misschien wel in het inzetten van biologische systemen: enzymen, bacteriën of zelfs insecten. De potentie van ‘in-insect-synthese’ is enorm. Door technieken als genbewerking en gerichte evolutie zouden insecten in de toekomst allerlei complexe moleculen kunnen maken, van nieuwe medicijnen tot speciale materialen met unieke eigenschappen. Daarmee wordt een fascinerende brug geslagen tussen de klassieke organische chemie en synthetische biologie.
Dat uitgerekend de tabaksrups, berucht onder boeren vanwege zijn vraatzucht en resistentie tegen bestrijdingsmiddelen, in dit verhaal een heldenrol speelt, maakt het nog mooier. “Normaal gesproken worden deze insecten gezien als de schurken van de landbouw”, zegt Itami. “Maar in ons project zijn ze precies het tegenovergestelde: onverwachte helden in de wereld van de chemie.”
