Het is niet iets waar veel mensen dagelijks bij stilstaan, maar er zijn twee soorten wenteltrappen: sommige lopen linksom omhoog, andere rechtsom. De twee vormen elkaars spiegelbeeld en het zal weinig mensen iets uitmaken met welke draairichting ze van doen hebben. Ons lichaam trekt zich echter wel iets aan van de spiegelsymmetrie van moleculen. Een dramatische illustratie hiervan is het geneesmiddel Softenon, ooit voorgeschreven als slaapmiddel en tegen ochtendmisselijkheid als gevolg van een zwangerschap. Met vreselijke gevolgen: de zogeheten R-variant van het werkzame molecuul thalidomide werkte prima, maar het spiegelbeeldmolecuul verstoorde de ontwikkeling van baby’s in de baarmoeder en leidde tot de geboorte van tienduizenden kinderen met ernstige misvormingen.

Die gevoeligheid van ons lichaam voor de draairichting van moleculen, de chiraliteit, hangt samen met het feit dat veel essentiële moleculen in de natuur, zoals eiwitten en suikers, zelf een specifieke chiraliteit bezitten. Waarom dat zo is, daar breken wetenschappers zich nog altijd het hoofd over. De natuurwetten vertonen geen voorkeur voor links- of rechtsdraaiende chirale moleculen; je moet als chemicus ook echt je best doen slechts één van de twee mogelijke varianten van een chiraal molecuul te maken: de reden dat het met Softenon fout ging.

Zo’n vier miljard jaar geleden moeten in de ‘oersoep’ de eerste organische moleculen zijn ontstaan, waaronder chirale moleculen. Zoals gezegd voorspellen de natuurwetten dat van deze chirale moleculen de helft links- en de helft rechtsdraaiend is geweest en zien we daarvan bij de huidige biomoleculen nog maar één variant terug. De verhouding moet dus in onbalans zijn geraakt, zegt Maarten Smulders (28). “Hoe dat precies is gebeurd, weten we niet, maar op de één of andere manier is die onbalans in de tijd versterkt, totdat in de natuur nog maar één variant over was.”

Zijn promotieonderzoek wijdde Smulders aan de vraag hoe die natuurlijke voorkeur voor één moleculaire variant is ontstaan. “Daarvoor moet je leren hoe chirale moleculen precies gevormd worden. Wij hebben een mooi modelsysteem gemaakt om dat te kunnen onderzoeken.” Als bouwstenen gebruikte hij speciale moleculen, die hij beschrijft als damschijven met drie zijarmen, die opeengestapeld een wenteltrapvormig complex vormen (zie afbeelding rechts). “We hebben drie varianten gemaakt: bouwstenen die een voorkeur hebben om een linksdraaiende wenteltrap vormen, bouwstenen die neigen naar een rechtsdraaiende trap en neutrale bouwstenen die zelf geen voorkeursrichting hebben, maar zich door de andere twee laten beïnvloeden.”

Als je alleen ‘linksdraaiende’ bouwstenen in oplossing brengt, organiseren die zich spontaan in linksdraaiende, wenteltrapvormige structuren - hetzelfde geldt uiteraard voor de rechtsdraaiende bouwstenen, maar dan in spiegelbeeld. De neutrale bouwstenen vormen evenveel links- als rechtsdraaiende wenteltrapjes. Voeg je echter een paar procent linksdraaiende bouwstenen toe aan een oplossing met verder alleen de neutrale variant, dan zie je alleen nog maar linksdraaiende wenteltrappen ontstaan, vertelt Smulders. “Dat noemen we het sergeant-soldaateffect. Een paar procent linksdraaiende bouwstenen is voldoende om alle wenteltrappen in die draairichting te dwingen.”

Maar wat gebeurt er dan als je links- en rechtsdraaiende bouwstenen bij elkaar gooit? “Als je een kleine overmaat van één van beide bouwstenen hebt, bijvoorbeeld zestig procent linksdraaiend, dan zie je ook dat er alleen nog maar linksdraaiende wenteltrappen worden gemaakt: de meerderheid regeert, noemen we dat.”

Zowel het sergeant-soldaatmodel als het inzicht dat de meerderheid van de bouwstenen de draairichting van de wenteltrap bepaalt, geeft iets prijs over hoe we zijn beland in een wereld met zo’n uitgesproken chirale asymmetrie. In beide gevallen is er sprake van een kleine onbalans op het niveau van de bouwstenen, met een grote impact op de draairichting van de structuren die hiermee worden gevormd. Als nu de gevormde moleculaire structuren ook nog een effect zouden hebben op de productie van hun eigen bouwstenen, via een nog onbekend mechanisme, lijkt de cirkel rond. Of niet? “Je zou inderdaad aan een soort terugkoppelingsproces kunnen denken, waarbij een linksdraaiend molecuul ervoor zorgt dat er meer linksdraaiende bouwstenen worden aangemaakt. Dat zou de ultieme verklaring zijn. Maar daar durf ik me niet aan te wagen; wij hebben ons beperkt tot het mengen van de bouwstenen en kijken in welke gevallen dat wenteltrappen oplevert met een bepaalde draairichting.”

Smulders keek niet alleen naar de draairichting van de wenteltrapvormige structuren, maar ook naar het groeiproces waardoor deze structuren tot stand komen. In de natuur komt zogeheten coöperatieve groei veel voor; de aanwas van een keten bouwstenen komt dan pas echt op gang als er een beginnetje is van drie of vier bouwstenen. Vaak hangt dat samen met de vorm van het molecuul: bij een wenteltrap komt de vierde ‘trede’ boven de eerste te liggen. “Die bouwstenen gaan dan een wisselwerking met elkaar aan, waardoor het hele molecuul stabieler wordt en dat stimuleert het groeiproces.”

Dat heeft tot gevolg dat je lange, functionele structuren krijgt in plaats de vele nutteloze korte ketens die je verwacht bij willekeurige groei; in de natuur vindt dan ook veel coöperatieve groei plaats. “Men dacht altijd dat dit in het lab eigenlijk niet voorkwam. Maar als je, zoals wij doen, de temperatuur van een oplossing met bouwstenen in stapjes kunt verlagen, en dan bij elke temperatuur kijkt hoeveel bouwstenen al opgenomen zijn in een stapeling, dan blijkt dat ook synthetische moleculen coöperatief groeigedrag vertonen.” En dat komt goed uit, zegt Smulders: “Dat maakt het voor ons makkelijker om deze groei in het lab te bestuderen.” (TJ)/.

Smulders bouwde wenteltrapvormige structuren met moleculen die hij beschrijft als damschijven met drie zijarmen.