Wageningse chemici ontwikkelden een extreem kleine mechanische sensor: een polymere trekveer die bestaat uit slechts een enkel fluorescerend, uittrekbaar molecuul.

In cellen vindt heel wat moleculair duw- en trekwerk plaats. Inzicht in de grootte van die krachten en de variatie in plaats en tijd is belangrijk om processen zoals celgroei, -migratie en -deling beter te begrijpen. Maar hoe meet je een kracht op moleculair niveau?

Joris Sprakel, groepsleider bij de afdeling fysische chemie en zachte materie van Wageningen Universiteit & Research, gebruikt daarvoor een molecuul als mechanische sensor. ‘Vergelijk het maar met de manier waarop je vroeger baby’s woog. In een doek aan zo’n trekveer’, zegt Sprakel. ‘Onze moleculaire sensor werkt volgens hetzelfde principe. De veer is een polymeer dat in rust een rommelig bolletje vormt, maar als je eraan gaat trekken, rekt het uit. En die uitrekking is proportioneel met de uitgeoefende kracht.’

Mechanochroom

De veer is een fluorescerend, halfgeleidend polymeer met zogeheten mechanochrome eigenschappen: onder invloed van een mechanische kracht geeft het materiaal een optisch signaal af. Dat signaal komt voort uit de energieoverdracht tussen de donorgroepen in de keten en acceptorgroepen die in kleine hoeveelheid als doping agent zijn toegevoegd. Veranderingen in de afstand tussen die twee zorgen voor een verandering in de kleur van het uitgezonden licht; de gekozen moleculen bepalen het precieze spectrum. Dat vertelt je iets over uitrekkingsgraad, die je vervolgens kunt
relateren aan de uitgeoefende kracht. Die relatie is voor polymeren al tientallen jaren bekend.

‘Onze methode levert een continue meting’

Maar hoe gebruik je dit in de praktijk? Sprakel legt het uit: ‘We mengen ons polymeer in extreem lage concentratie met een ander, niet-fluorescerend materiaal. Daarvan maken we een klein stripje en door veel te testen weten we dat we dan in 5x5 µm van het stripje precies één enkel molecuul van ons sensormateriaal hebben. Dat stripje rek je uit.’ Al die andere moleculen brengen de externe trekkracht over naar het ene sensormolecuul. ‘Aan de kleurverandering die optreedt kunnen we vervolgens heel precies afleiden wat de kracht op dat enkele molecuul is geweest.’

Hiermee verbeteren Sprakel en zijn groep de resolutie aanzienlijk. Waar de meeste technieken krachten kunnen meten in het nano- of piconewton-bereik, kan de moleculaire trekveer krachten tot 300 femtonewton detecteren. Sprakel: ‘Er is nog een voordeel. Onze methode levert een continue meting. Andere mechanochemische sensoren kunnen alleen bepalen dat een kracht een bepaalde drempelwaarde is gepasseerd. Hoe groot die kracht was, weet je dan niet.’

Levend systeem

Sprakel wil de mechanica en dynamiek van zachte materialen in levende systemen begrijpen, maar zijn techniek kan vooralsnog alleen extern uitgeoefende krachten in een heel specifieke setting meten. ‘Dit resultaat is echt nog maar een eerste stap. We laten hiermee zien dat je met een enkel molecuul krachten kunt meten. Maar wat ik heel graag wil doen, ooit, is in een intact levend systeem meten hoe krachten worden gegenereerd. Zodat we op moleculaire schaal kunnen ontrafelen wat daar gebeurt. Daarvoor moet nog veel gebeuren, maar we zetten stappen in de goede richting.’