De ratel van het leven

De ratel van het leven of Life’s Ratchet is de titel van een boek van Peter M. Hoffmann, natuurkundige aan de Universiteit van Wayne State in Michigan. Hij heeft zich met het gebruik van de Atomic Force Microscope (AFM of Atoomkrachtmicroscoop) toegelegd op de bestudering van moleculaire machines. Deze machines zijn de motoreiwitten van de cel en kunnen op het niveau van de nanometer (10^-9 ofwel 1 miljardste meter) bestudeerd worden.

De AFM is een microscoop die het oppervlak van moleculen aftast zoals een naald een langspeelplaat (LP voor wie die afkorting nog kent). Het is daarbij mogelijk moleculen van enkele nanometers zichtbaar te maken. Toshio Ando uit Japan, maar ook Peter Hoffmann zelf zijn er in geslaagd de bewegingen van motoreiwitten als myosinen, kinesinen en dyneinen vast te leggen op beeld.

Brownse Ratel met op de achtergrond bewegende deeltjes onder de gewone lichtmicroscoop

Al duizenden jaren vraagt men zich af hoe het leven gedefinieerd moet worden en wat de ‘vitale kracht’ is van levende organismen en wat het is dat ze verliezen zodra ze dood gaan. Peter Hoffmann is er van overtuigd dat deze vitale kracht, die je zou kunnen duiden met ‘purposefulness’ of ‘doelmatigheid’ en die zo kenmerkend lijkt te zijn voor het leven, gezocht moet worden op nanoniveau. Hier vinden we de Brownse beweging, ofwel de beweging van stofdeeltjes als gevolg van de hevige trillingen van de de atomen en moleculen. Brown ontdekte deze beweging in stuifmeelkorrels in water. De watermoleculen bezitten zoveel energie dat ze alle kanten op schieten en daarbij de stuifmeelkorrels van alle kanten bombarderen. De netto beweging is dan een licht voortschrijden van deze korrels (zie het laatste filmpje onderaan dit bericht). Men speculeerde daarop over de mogelijkheid de Brownse beweging om te zetten in energie ofwel een ratel of schoepenrad te creëren die aangedreven zou worden door de beweging van de watermoleculen. Het schoepenrad kan slechts één kant op draaien omdat er een pal tegenaan zit die zich steeds vast haakt in de laagste inkeping. Mocht dit werken dan zou daar de tweede wet van de thermodynamica mee overtreden worden. De wet stelt immers dat de entropie van een systeem dat niet in evenwicht is toeneemt. Het produceren van energie (draaikracht) moet (ergens anders) energie (botsen van moleculen) kosten. De Brownse ratel veronderstelt daarmee dat er geen energie toegevoegd hoeft te worden om een netto beweging van het ratel te krijgen. Nu is het probleem met dit idee dat ook de pal getroffen wordt door de rondstormende moleculen. Deze wordt dus ook af en toe bewogen waardoor het rad terugdraait en de eerder verkregen beweging weer geannuleerd wordt. Kortom, het is geen perpetuum mobile.

Myosine VI (blauw) loopt op actine (rood)

Peter Hoffmann vertelt hier uitgebreid over om aan te geven in hoeverre de Brownse beweging een rol zou kunnen spelen in de motoreiwitten van onze cellen. Hij beschrijft exact hoe onder andere het motoreiwit myosine langs actine loopt of klimt. Biologen weten al decennia lang dat er voor deze voortbeweging ATP nodig is. Maar de details van de dynamica waren nog niet zo goed uitgezocht. Hij beschrijft precies hoe de voorste ‘voet’ ATP bindt en zich vastzet aan het actine en hoe de achterste voet ADP en Pi gebonden heeft. Zodra de achterste voet deze ADP en Pi loslaat, laat ook de voet zich los van het actinemolecuul en zwaait als gevolg van de moleculaire storm alle kanten op. Tegelijkertijd zorgt het gebonden ATP in de voorste voet voor een knik voorwaarts van het myosine-molecuul waardoor de achterste zwaaiende voet naar voren zwaait, een ATP en het actine bindt en voor voor de voorste op het actine komt te zitten. Het ATP molecuul van wat nu de achterste voet is wordt afgebroken in ADP en Pi en de cyclus begint opnieuw. Deze sequentie van het binden en loslaten van resp. ATP en ADP kan niet zichtbaar gemaakt worden, maar hoe de twee benen sprongen maken is duidelijk vastgelegd door Toshio Ando die met een extreem snelle AFM werkte (zie minuut 14 van de lezing van Peter Hoffman over zijn boek.) Hier volgt een plaatje daaruit.

Myosine V (geel driehoekje rechts) loopt op actine (gele draad over de breedte onderaan de foto)

De lezing is hier te zien en is een mooie samenvatting van zijn boek en zeer de moeite waard te beluisteren.

Voor zover ik het kan beoordelen is de Brownse beweging verantwoordelijk voor het zwaaien van de achterste voet. Die beweging is duidelijk weergegeven in onderstaande een minuut durende animatie.

Van veel moleculen weet men nog niet hoe ze zich voortbewegen en men speculeert over de rol die Brownse beweging zou kunnen hebben in de voortbeweging van deze moleculen. Het zou werkelijk een groot nieuws zijn als blijkt dat een moleculaire machine uitsluitend draait op Brownse beweging. Men is nu al in staat moleculaire machines op nanoschaal te maken. Mocht daar ooit ‘gratis’ energie uit voort komen dan zou dat een enorme ontdekking zijn.

Een week geleden promoveerde Wijnand Germs aan de TU Eindhoven op een studie naar Brownse beweging in microdeeltjes. Heel interessant, maar ik vermoed dat ook hier energie toegevoegd wordt met het aan- en uitzetten van het elektrisch veld.

Dit blogbericht wil bij lange na geen review van het boek zijn. Daar is het boek veel te uitgebreid voor. Dat zou een onmogelijke taak zijn. Het is een prachtig boek en brengt de lezer van meer dan twee millennia geleden helemaal tot aan de laatste wetenschappelijke ontdekkingen op dit gebied van 2012.

Wie een simpele maar duidelijke uitleg wil over Brownse beweging kan het volgende filmpje bekijken.

Uit: Life’s Ratchet. How molecular machines extract order from chaos. Peter M. Hoffmann (2012)