Chiraliteit: waarom spiegelbeelden in de natuurkunde en chemie niet hetzelfde zijn

Steek je linkerhand voor een spiegel en je ziet een rechterhand. Ze lijken identiek, maar probeer een linkerhandschoen aan je rechterhand te trekken: het lukt niet. De handen zijn spiegelbeelden van elkaar, maar niet uitwisselbaar. Dit verschijnsel heet chiraliteit (van het Griekse woord voor hand, 'cheir'), en het speelt zich niet alleen af bij handen, maar ook op het niveau van moleculen, kristallen en zelfs licht.

Waarom is dit belangrijk voor techniek en wetenschap? Omdat veel moleculen in ons lichaam, in medicijnen en in de natuur chiraal zijn: ze bestaan in twee spiegelbeeldvarianten die vaak compleet verschillend gedrag vertonen. Eén variant kan een levensreddend medicijn zijn, de andere schadelijk. Onderzoekers proberen deze 'linkse' en 'rechtse' versies van moleculen en materialen te begrijpen, te scheiden en zelfs gericht te gebruiken in nieuwe technologie, van veiligere geneesmiddelen tot experimentele vormen van elektronica.

Wat is het precies?

Een molecuul is een groepje atomen dat samen een vaste structuur vormt. Sommige moleculen zijn chiraal: hun spiegelbeeld is niet, hoe je het ook draait of kantelt, gelijk te leggen op het origineel. Denk aan een schroef: een schroef met rechtse draad past niet in een moer die voor een linkse schroef is gemaakt, ook al zijn beide schroeven verder identiek.

De twee spiegelbeeldvormen van een chiraal molecuul heten enantiomeren. Ze hebben dezelfde atomen, dezelfde bindingen en zelfs dezelfde chemische formule. Het enige verschil is de ruimtelijke rangschikking: links- of rechtsdraaiend. Scheikundigen duiden dit vaak aan met de letters R en S (van het Latijnse 'rectus' en 'sinister', rechts en links).

Dat kleine verschil kan enorme gevolgen hebben. Enzymen en receptoren in ons lichaam zijn zelf ook chiraal en passen daardoor vaak maar op één van de twee enantiomeren, net zoals een rechterhand alleen prettig in een rechterhandschoen past. Daardoor kan de ene variant van een molecuul een geneesmiddel zijn en de andere vrijwel werkeloos, of zelfs giftig.

Chiraliteit beperkt zich niet tot moleculen. Ook kristallen, sommige nanostructuren en zelfs licht kunnen een 'handigheid' hebben. Circulair gepolariseerd licht bijvoorbeeld draait als een lichtgevende kurkentrekker naar links of naar rechts, en chirale materialen kunnen daar verschillend op reageren.

Wat wil men ermee bereiken?

Het belangrijkste praktische doel is al decennia hetzelfde: veiligere en effectievere geneesmiddelen maken. Door precies de juiste enantiomeer van een molecuul te produceren, in plaats van een mengsel van beide, voorkom je bijwerkingen en verspilling van grondstoffen.

Daarnaast hopen natuurkundigen chiraliteit te benutten in nieuwe elektronica. Bij het zogeheten CISS-effect (Chiral-Induced Spin Selectivity, oftewel 'chiraliteit-geïnduceerde spinselectiviteit') blijkt dat elektronen die door een chiraal molecuul bewegen een voorkeursrichting van hun 'spin' krijgen, een kwantumeigenschap die in de klassieke spintronica normaal gesproken sterke magneten vereist. Als dit effect goed te sturen is, zou het in de toekomst kunnen leiden tot energiezuinigere geheugens of sensoren zonder permanente magneten. Dit is echter nog verkennend onderzoek.

Een derde, meer fundamentele drijfveer is nieuwsgierigheid naar het leven zelf. Alle bekende levensvormen op aarde gebruiken bijna uitsluitend één variant van bepaalde bouwstenen: aminozuren zijn vrijwel altijd linksdraaiend, suikers in DNA en RNA vrijwel altijd rechtsdraaiend. Waarom de natuur voor deze ene kant koos, en niet voor een mengsel van beide, is een van de grote open vragen over het ontstaan van leven.

Voorbeelden uit de praktijk

De thalidomide-tragedie (jaren 50-60). Het slaap- en misselijkheidsmiddel thalidomide, in Nederland verkocht als Softenon, werd aan zwangere vrouwen voorgeschreven. Pas later werd duidelijk dat één enantiomeer van het molecuul het gewenste kalmerende effect had, terwijl de andere ernstige aangeboren afwijkingen veroorzaakte. Deze ramp maakte chiraliteit tot een verplicht aandachtspunt in de geneesmiddelenontwikkeling wereldwijd.

Het Monsanto-proces voor L-dopa (1974). Scheikundige William Knowles ontwikkelde bij het bedrijf Monsanto een industrieel proces om selectief de juiste enantiomeer van L-dopa te maken, een middel tegen de ziekte van Parkinson. Het was een van de eerste grootschalige toepassingen van wat 'asymmetrische katalyse' heet: chemische reacties die gericht één spiegelbeeldvorm produceren in plaats van een 50/50-mengsel.

Nobelprijs Scheikunde 2001. Knowles deelde deze prijs met Ryoji Noyori en K. Barry Sharpless voor hun werk aan asymmetrische katalyse. Hun technieken worden tot op de dag van vandaag gebruikt in de farmaceutische en chemische industrie om chirale moleculen zuiver te produceren.

Onderzoek naar het CISS-effect (sinds eind jaren 90). Natuurkundige Ron Naaman van het Weizmann Institute of Science in Israël behoorde tot de eersten die aantoonden dat chirale moleculen elektronenspin kunnen filteren. Sindsdien onderzoeken tientallen laboratoria wereldwijd of dit effect bruikbaar is voor nieuwe vormen van dataopslag en spintronica.

Chiraliteit in de ruimte: de Rosetta-missie (2014-2016). De Europese ruimtesonde Rosetta onderzocht komeet 67P/Tsjoerjoemov-Gerasimenko onder meer op de aanwezigheid van chirale organische moleculen, in de hoop aanwijzingen te vinden over hoe homochiraliteit op aarde is ontstaan. De metingen leverden waardevolle data op, maar geen sluitend antwoord op de vraag waarom leven op aarde voor één 'kant' koos.

Hoe ver is de techniek?

Het beeld is tweeledig. Aan de ene kant is chirale scheikunde voor de farmaceutische industrie volwassen technologie: asymmetrische katalyse en chirale scheidingstechnieken worden al decennia routinematig toegepast, en regelgevers zoals de Amerikaanse FDA eisen sinds de jaren 90 dat fabrikanten de effecten van beide enantiomeren van een nieuw medicijn apart onderzoeken.

Aan de andere kant staat het gebruik van chiraliteit in elektronica en fotonica nog in een vroeg, fundamenteel onderzoeksstadium. Het CISS-effect is inmiddels in honderden experimenten waargenomen, maar het precieze natuurkundige mechanisme erachter is nog altijd onderwerp van wetenschappelijk debat: er bestaat geen volledig uitgewerkte theorie die alle waarnemingen verklaart. Dat maakt het lastig om betrouwbare, opschaalbare apparaten te bouwen.

Ook chirale metamaterialen, kunstmatig ontworpen structuren die licht op een gecontroleerde 'gedraaide' manier manipuleren, zijn vooral nog labdemonstraties. Ze laten interessante optische effecten zien, maar praktische toepassingen zoals compacte sensoren of beveiligde communicatie moeten hun waarde in de praktijk nog bewijzen. Onderzoekers zijn voorzichtig optimistisch, maar concrete tijdspaden voor commerciële toepassingen ontbreken vooralsnog.

Wie werken eraan?

Onderzoek naar chiraliteit is sterk verspreid over de wereld en over disciplines. Het Weizmann Institute of Science in Israël geldt als een van de centra voor CISS-onderzoek, met Ron Naaman als bekende naam. In Duitsland houden groepen aan onder meer het Karlsruhe Institute of Technology zich bezig met chirale metamaterialen en fotonica.

In Nederland doen onderzoeksgroepen aan onder meer de TU Delft en de Radboud Universiteit fundamenteel onderzoek naar spintronica en moleculaire elektronica, terreinen waarbinnen chirale effecten steeds meer aandacht krijgen. De farmaceutische industrie wereldwijd, van grote multinationals tot gespecialiseerde chemiebedrijven, blijft daarnaast de grootste gebruiker van chirale synthesetechnieken voor de productie van geneesmiddelen.

Omdat het merendeel van dit onderzoek fundamenteel van aard is, gebeurt het werk vooral aan universiteiten en onderzoeksinstituten in de Verenigde Staten, Duitsland, Israël, Japan en Nederland, gefinancierd door nationale wetenschapsfondsen en, in mindere mate, door industriële partners die kijken naar toekomstige toepassingen.

Verder lezen

• Nobelprize.org — achtergrond over de Nobelprijs Scheikunde 2001 voor asymmetrische katalyse
• Royal Society of Chemistry — vakinformatie over chirale chemie en moleculaire structuur
• Nature — wetenschappelijke publicaties over onder meer het CISS-effect en chirale materialen
• American Chemical Society — achtergrondartikelen over chiraliteit in de scheikunde en farmacie
• Weizmann Institute of Science — onderzoeksinstituut waar baanbrekend werk aan het CISS-effect is verricht