Nanoreactor: chemie bedrijven op de kleinst denkbare schaal
Een nanoreactor is, simpel gezegd, een reageerbuisje dat honderdduizenden keren kleiner is dan de reageerbuizen uit een scheikundelokaal. In plaats van milliliters vloeistof gaat het om een ruimte van een paar nanometer: een nanometer is een miljardste van een meter, ongeveer honderdduizend keer dunner dan een mensenhaar. In zo'n piepklein volume laten onderzoekers een chemische reactie plaatsvinden, vaak met maar een handvol moleculen tegelijk. Doordat de ruimte zo klein en afgesloten is, hebben wetenschappers veel meer grip op wat er precies gebeurt dan in een gewoon reactievat.
Een handige analogie: vergelijk een gewone chemische reactor met een volle sportzaal waarin mensen willekeurig rondlopen en af en toe iemand tegenkomen om mee te praten. Een nanoreactor is dan een liftje waarin je twee mensen opsluit die wél iets met elkaar te bespreken hebben: de kans dat het juiste gesprek op het juiste moment plaatsvindt, is veel groter. Zo'n "liftje" kan een bolvormig membraantje van kunststof zijn, een holle eiwitkooi, een poriën in een mineraal, of zelfs een compleet virtuele ruimte in een computersimulatie. In alle gevallen is het doel hetzelfde: een reactie sneller, zuiverder of gerichter laten verlopen dan buiten die kleine ruimte mogelijk zou zijn.
Wat is het precies?
Het woord "nanoreactor" wordt in de wetenschap voor een paar verschillende dingen gebruikt, die wel een gemeenschappelijke kern delen: een sterk begrensde ruimte waarin een chemische of biochemische reactie plaatsvindt.
De meest tastbare vorm is een fysiek nanodeeltje met een holte erin. Denk aan een polymersoom: een piepklein bolletje waarvan de wand bestaat uit kunstmatige polymeermoleculen die zich vanzelf (spontaan, door hun chemische eigenschappen) tot een dubbele laag rangschikken, vergelijkbaar met de celmembraan van een levende cel. In zo'n bolletje kunnen onderzoekers enzymen of andere katalysatoren (stoffen die een reactie versnellen zonder zelf te verbruiken) opsluiten. Andere voorbeelden zijn eiwitkooien zoals ferritine, dat van nature ijzer opslaat in het lichaam maar ook is aangepast om andere stoffen te herbergen, en structuren gevouwen uit DNA-strengen ("DNA-origami"), waarmee onderzoekers moleculen op nanometer-nauwkeurige afstand van elkaar kunnen plaatsen.
Een andere, veel oudere categorie zijn poreuze materialen zoals zeolieten en metaal-organische raamwerken (MOF's, een soort kristallijne "moleculaire sponzen"). Deze materialen zitten vol met nanometer-kleine kanaaltjes en holtes die van nature als nanoreactor werken: alleen moleculen die precies in de porie passen, kunnen er reageren, wat de reactie automatisch selectief maakt.
Tot slot bestaat er ook een computationele variant: de "ab initio nanoreactor", een rekenmethode waarbij onderzoekers in een computersimulatie een aantal kleine moleculen (bijvoorbeeld water, methaan en ammoniak) virtueel in een krimpende denkbeeldige bol samenpersen. De hoge dichtheid en druk dwingen de moleculen tot botsingen die normaal zelden voorkomen, waardoor er nieuwe, soms onverwachte verbindingen ontstaan. Zo'n simulatie levert geen echte stof op, maar wel een kaart van mogelijke reactiepaden die chemici anders nooit hadden bedacht.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter nanoreactoren is controle. Reacties op grote schaal, in een vat van liters, zijn vaak inefficiënt: veel van de energie en grondstoffen gaat verloren aan ongewenste bijproducten. Door een reactie te beperken tot een nanoschaal ruimte kunnen onderzoekers de omstandigheden (concentratie, temperatuur, welke moleculen wel of niet naar binnen mogen) veel preciezer sturen, wat in theorie leidt tot minder afval, mildere procescondities en hogere opbrengsten.
In de geneeskunde is het doel vaak gerichtheid: een nanoreactor die pas ter plekke, bijvoorbeeld in een tumor, een werkzame stof aanmaakt, zou veel minder bijwerkingen kunnen geven dan een medicijn dat door het hele lichaam circuleert voordat het zijn doel bereikt. In de fundamentele chemie en biologie draait het onderzoek met nanoreactoren vaak om een dieper wetenschappelijk doel: begrijpen hoe leven ooit is ontstaan, door na te bootsen welke reacties in een afgesloten, celachtige ruimte spontaan tot complexere moleculen kunnen leiden, of het bouwen van "kunstmatige cellen" die minimale levensfuncties vertonen.
Industrieel gezien is de belofte vooral economisch en duurzaam: efficiëntere katalyse betekent minder energieverbruik en minder chemisch afval in processen die wereldwijd op enorme schaal plaatsvinden, zoals de raffinage van aardolie.
Voorbeelden uit de praktijk
Zeolieten zijn misschien wel de oudste en meest wijdverbreide nanoreactoren die er zijn, al werden ze aanvankelijk niet zo genoemd. Sinds het midden van de twintigste eeuw gebruikt de olie-industrie zeolietkatalysatoren in het zogeheten "fluid catalytic cracking"-proces, waarbij lange koolwaterstofketens in ruwe olie binnen de nanoporiën van het materiaal worden geknipt tot bruikbare brandstoffen. Dit proces draait nog dagelijks in raffinaderijen over de hele wereld.
Aan de Universiteit Utrecht bestudeert de onderzoeksgroep van hoogleraar Bert Weckhuysen met geavanceerde microscopietechnieken hoe reacties zich precies afspelen ín de nanoporiën van katalysatoren zoals zeolieten en MOF's, letterlijk moleculen aan het werk in hun nanoreactor.
Aan de TU Eindhoven (voorheen verbonden aan de Radboud Universiteit Nijmegen) ontwikkelt de groep van hoogleraar Jan van Hest al ruim een decennium polymersomen en kom-vormige varianten daarvan ("stomatocyten") die dienstdoen als nanoreactor en soms zelfs als nanomotor. Het idee is om er enzymen in te verpakken die pas een reactie uitvoeren wanneer het deeltje op de juiste plek is aangekomen, met als toekomstperspectief gerichte medicijnproductie in het lichaam zelf.
Een opvallend voorbeeld van de computationele variant is het werk van de groep van scheikundige Todd Martinez, destijds aan Stanford University. Rond 2014 publiceerden zij onderzoek waarin hun "ab initio nanoreactor"-simulatie, uitgaande van simpele stoffen als water, methaan, ammoniak en waterstofcyanide, spontaan een route naar het aminozuur glycine liet zien, een resultaat dat relevant is voor onderzoek naar hoe de bouwstenen van leven op de vroege aarde kunnen zijn ontstaan.
Ook wordt geëxperimenteerd met DNA-origami als nanoreactor: door DNA-strengen te vouwen tot een steigerstructuur kunnen onderzoekers twee of meer enzymen op precies de juiste, korte afstand van elkaar plaatsen, waardoor het tussenproduct van de ene reactie direct wordt opgepikt door het volgende enzym, wat de totale reactie versnelt.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkelingsstatus loopt sterk uiteen per type nanoreactor. Zeolietkatalyse in de petrochemie is volledig volwassen technologie: die draait al decennia op industriële schaal en wordt vooral nog verfijnd, niet meer uitgevonden. De computationele ab initio nanoreactor is inmiddels een gevestigd, bruikbaar gereedschap in de theoretische chemie, dat in verschillende laboratoria wordt gebruikt om reactiepaden te verkennen, al blijft het een hulpmiddel voor onderzoek en geen product op zich.
De nanoreactoren die het meest tot de verbeelding spreken, zoals polymersomen en eiwitkooien voor gerichte medicijnaflevering in het lichaam, staan echter nog vrijwel volledig in het laboratorium- en dierproefstadium. Er lopen serieuze technische obstakels: de deeltjes moeten stabiel blijven in bloed, mogen geen ongewenste immuunreactie oproepen, moeten precies op de juiste plek hun "lading" lossen, en moeten uiteindelijk op grote, betrouwbare schaal te produceren zijn. Geen van de medische nanoreactorconcepten die in dit artikel worden genoemd, is op dit moment goedgekeurd voor gebruik bij patiënten. Onderzoekers zelf zijn voorzichtig met tijdspaden; een doorbraak naar de kliniek kan nog vele jaren duren, en het is niet zeker dat elk concept die stap ooit haalt.
Wie werken eraan?
In Nederland zijn de TU Eindhoven (de groep van Jan van Hest, bio-organische chemie) en de Radboud Universiteit Nijmegen (onder meer onderzoek naar kunstmatige cellen en systeemchemie, een vakgebied waarin ook Wilhelm Huck actief is) belangrijke centra voor nanoreactoronderzoek. De Universiteit Utrecht is toonaangevend op het gebied van katalyse-onderzoek met nanoreactoren zoals zeolieten en MOF's. Veel van dit werk wordt gefinancierd via de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) en Europese Horizon-onderzoeksprogramma's.
Internationaal is Stanford University bekend van het computationele ab initio-nanoreactorwerk, en zijn diverse Amerikaanse universiteiten, waaronder groepen die zich specialiseren in DNA-nanotechnologie, actief met DNA-origami-nanoreactoren. Ook in Duitsland (onder meer Max Planck-instituten), Zwitserland (ETH Zürich) en China wordt intensief onderzoek gedaan naar nanoreactoren voor katalyse en nanogeneeskunde. Op industrieel vlak zijn grote chemie- en olieconcerns zoals Shell en BASF al decennialang gebruikers van zeolietkatalyse op fabrieksschaal, terwijl de meer geavanceerde medische nanoreactoren vooralsnog vooral in academische labs en kleine spin-offbedrijven worden ontwikkeld.