Leuvense onderzoekers konden aantonen dat grotere deeltjes toch sneller kunnen zijn. Die ontdekking gaat in tegen de huidige kennis, en kan helpen bij de ontwikkeling van medicijnen die het lichaam makkelijker opneemt.
Al eens geprobeerd om een overvol boodschappenkarretje op zaterdag door de supermarkt te duwen? Dan weet je dat een grote kar je sterk belemmert en dat je niet zo snel bent als wanneer je gewoon de supermarkt binnenloopt voor alleen een pak suiker. Hetzelfde zie je ook bij microscopisch kleine deeltjes en werd al door Einstein theoretisch beschreven in het begin van de 20e eeuw.
Nu, een eeuw later, ontdekten onderzoekers van het Departement voor Natuurkunde en Sterrenkunde van de KU Leuven en de Universiteit van Bordeaux (referentie) dat groter toch ook sneller kan zijn. Deze ontdekking kan helpen bij de ontwikkeling van medicatie die makkelijker in het lichaam kan opgenomen worden of stoffen die sneller de celwanden kunnen binnendringen.
In 1827 ontdekte de Engelse plantkundige Robert Brown dat stuifmeelkorrels opgelost in water een willekeurige trillende beweging vertoonden als ze onder een microscoop bekeken werden (zie foto boven). Later bleek dat kleine vaste deeltjes (zoals eiwitten, polymeren of virussen) in een vloeistof of gas altijd dit verschijnsel vertonen. Deze willekeurige beweging van deeltjes kreeg zo de naam “Brownse beweging” en het is deze die zorgt voor de spontane verspreiding van stoffen, ook wel diffusie genoemd. Een druppel inkt die een beter water blauw kleurt is hiervan een bekend voorbeeld.
Botsingen veroorzaken willekeurige beweging
Albert Einstein poneerde in 1905 een baanbrekende theorie die de Brownse beweging kon verklaren en die later door experimenten van de Franse fysicus Jean Perrin werd bewezen. Einstein’s theorie zegt dat kleine deeltjes in een vloeistof of een gas voortdurend botsen met de vele moleculen van de vloeistof of het gas waarin ze zweven. Deze botsingen zorgen voor minuscule willekeurige bewegingen van de deeltjes.
Hoe snel de deeltjes bewegen hangt af van vele factoren. Zo zullen grote deeltjes trager bewegen, omdat ze veel meer wrijving ondervinden. Ook de omgeving waarin het deeltje zich bevindt, heeft een effect: deeltjes in een heel dicht medium, zoals stroperige vloeistoffen, verf, biologische membranen of zelfs kristallen, zullen zich trager voortbewegen omdat ze veel minder bewegingsruimte hebben. Algemeen kunnen we zeggen dat een groot deeltje in een omgeving van kleine deeltjes trager zal bewegen dan die kleine deeltjes, en dat een klein deeltje omgeven door grote deeltjes sneller beweegt dan die grote deeltjes. Vergelijk dit met jij die je grote boodschappenkarretje door een drukke supermarkt moet duwen en een klein meisje dat zonder problemen doorheen diezelfde drukke supermarkt tot bij het snoepgoed kan lopen.
Een eeuw na de experimenten van Perrin heeft een team van het Departement voor Natuurkunde en Sterrenkunde van de KU Leuven echter ontdekt dat grote deeltjes niet altijd trager zijn. Een deeltje met de vorm van een lang staafje, ingebed in een kristal bestaande uit laagjes van korte staafjes, is toch veel beweeglijker dan die korte staafjes. De deeltjes die de onderzoekers gebruiken in hun experimenten zijn virussen, die ze in het labo zo kunnen maken dat ze allemaal precies even lang zijn. Bovendien kan je ze makkelijk zien onder een fluorescentie microscoop.
Bij hoge concentraties vormen de kleine staafjes geordende parallelle laagjes. De metingen van het team laten zien dat de kracht die de kleine staafjes in de laag houdt amper door de lange staafjes gevoeld wordt, waardoor ze vrijer kunnen bewegen. De verklaring hiervoor ligt in het feit dat de grote staafjes hun eigen ruimte maken in de laagjes. Een beetje zoals een grote auto die zijn eigen ruimte creëert op de parking van de supermarkt; zij zijn niet gebonden aan de regels (parkeren tussen de lijnen) zoals de kleinere auto’s.
Deze ontdekking kan aanleiding geven tot de ontwikkeling van specifieke moleculen die zich snel doorheen een medium kunnen bewegen, met toepassingen zoals medicinale stoffen die snel de celwanden kunnen binnendringen of proteïnen die makkelijk opgenomen kunnen worden door het lichaam.
Video onder: Fluorescent gemarkeerde korte (groen) en lange (rood) virussen die bewegen door laagjes van korte virussen. Om de enkele virusen te zien wordt fluorescentie microscopie gebruikt, terwijl differentie interferentie microscopie wordt gebruikt om de laagjes te laten zien.
