Spiegelbeeldisomeren zijn alom aanwezig in het dagelijks leven: van het klontje suiker in de koffie tot het melkzuur in yoghurt. Stoffen als suiker en melkzuur hebben molecuulstructuren die vergelijkbaar zijn met je linker- en rechterhand: ze zijn elkaars spiegelbeeld. Opvallend is dat het lichaam anders reageert op stoffen afhankelijk van hun links- of rechtshandigheid. De oorsprong hiervan is tot heden toe onduidelijk, maar het scheikundige fenomeen ‘Viedma-rijping’ schijnt hier nieuw licht op.

Een nachtje doorhalen na een leuk feest? Of verhuizen naar een nieuwe stad? Veranderingen in structuur kunnen enorm veel teweegbrengen. Dat geldt voor jouw fungeren in het dagelijks leven, maar ook voor dat van moleculen. Zo zijn er veel moleculen die identiek zijn wat betreft de hoeveelheid en het soort atomen, maar die verschillen in structuur. Zulke stoffen worden aangeduid als isomeren en zijn zeer belangrijk in de chemie. Simpele voorbeelden hiervan zijn de gassen butaan en isobutaan. Beide stoffen bestaan uit dezelfde atomen (C₄H₁₀), maar verschillen in structuur: butaan heeft een rechte vorm terwijl isobutaan een vertakking heeft (figuur 1). Dergelijke structuurverschillen leiden tot verschillen in eigenschappen van de stoffen, zowel op fysisch, chemisch als biologisch vlak. Isobutaan kookt bijvoorbeeld al bij -12°C terwijl butaan dit pas doet bij 0 °C.

Figuur 1: De molecuulstructuren van butaan en isobutaan. Beide moleculen hebben dezelfde hoeveelheid en soorten atomen, vier koolfstofatomen (C) en tien waterstofatomen (H), maar verschillen in structuur. Butaan en isobutaan zijn dus isomeren van elkaar.

Spiegelbeeldisomeren zijn een speciale groep isomeren. Zoals de naam al verklapt, zijn spiegelbeeldisomeren twee moleculen die qua structuur elkaars spiegelbeeld zijn. In tegenstelling tot andere isomeren, zoals butaan en isobutaan, hebben spiegelbeeldisomeren dezelfde chemische eigenschappen. Twee spiegelbeeldisomeren van een bepaalde stof hebben bijvoorbeeld hetzelfde kookpunt, smeltpunt en brekingsindex.^a Verbazingwekkend is dat ons lichaam toch zeer verschillend reageert op de tegengestelde spiegelbeeldisomeren, ondanks de chemische gelijkenis. Een voorbeeld hiervan zijn geurreceptoren die vaak gevoelig zijn voor het specifieke spiegelbeeldisomeer dat ze binnen krijgen. Zo ruikt het ene spiegelbeeld van het molecuul carvon naar de plant karwij, maar het andere naar munt.^[1] Ook medicijnen zijn vaak enkel effectief bij gebruik van het juiste spiegelbeeldisomeer. Het medicijn thalidomide werkt bijvoorbeeld zeer goed tegen ochtendmisselijkheid, maar leidt tot ernstige geboorteafwijkingen bij inname van de verkeerde spiegelbeeldisomeer.^[2] Hoe deze spiegelbeeldisomeren zijn ontstaan, is een belangrijke, onopgeloste vraag in de biochemie.

Het is bekend dat de bouwstenen van het leven, aminozuren en suikers, van nature slechts als een van de twee spiegelbeeldisomeren voorkomen. Dat is vreemd omdat een scheikundige bij het maken van een aminozuur beide spiegelbeeldisomeren zou krijgen, niet slechts één.^b Hoe het kan dat we in de natuur op aarde vaak maar één variant van de mogelijkheden zien, is tot op heden onduidelijk. Een relatief nieuwe kandidaat om deze vraag te beantwoorden is Viedma-rijping: een fenomeen waarbij een mengsel van twee spiegelbeeldisomeren spontaan omslaat naar een puur product met slechts een van de spiegelbeeldisomeren.

Spiegeltje, spiegeltje aan de wand…

Om te weten wat Viedma-rijping doet met spiegelbeeldisomeren is het van belang om vast te stellen wat chemici verstaan onder ‘chiraliteit’. Dit concept ontleent zijn naam aan het Griekse woord χειρ, wat ‘hand’ betekent. Handen zijn namelijk grofweg elkaars spiegelbeeld, maar wel degelijk verschillend. Om het simpel te zeggen: je hebt als het goed is geen twee linkerhanden. Om deze asymmetrie aan te duiden, worden handen een chiraal object genoemd. Moleculen kunnen ook chiraal zijn. Een goed voorbeeld hiervan is een aminozuur, de bouwsteen van eiwitten. Het spiegelbeeld van zo’n aminozuur verschilt in structuur van het originele molecuul en is daarom een spiegelbeeldisomeer. Net als handen zijn deze moleculen chiraal en worden daarom ook wel links- of rechtshandig genoemd (figuur 2).

Figuur 2: Dit is een illustratie van chiraliteit. Een chiraal molecuul, zoals dit aminozuur, heeft een spiegelbeeld dat niet overeenkomt met het origineel (vergelijkbaar met de linker- en rechterhand). Om op te merken dat deze moleculen daadwerkelijk anders zijn, vergt wat drie dimensionale verbeelding. Probeer de moleculen maar eens op elkaar te leggen: houd het oranje bolletje hoog en draai het grijze bolletje zo dat deze op het origineel ligt. Hoe staan de andere bolletjes er nu voor? Als het goed is komen deze niet overeen, wat aantoont dat het spiegelbeeld van een chiraal molecuul een ander molecuul is. Deze isomeren worden vaak onderscheiden met de naamgeving links- en rechtshandig.

Hoewel spiegelbeeldisomeren verschillende moleculen zijn, hebben ze identieke chemische eigenschappen.^c Hierdoor is het erg om beide spiegelbeeldisomeren in een mengsel te scheiden. Nog moeilijker is het om het mengsel volledig om te zetten naar alleen rechts- of linkshandige moleculen, oftewel een spiegelbeeldisomeerpuur mengsel. Desalniettemin blijken suikers en aminozuren spiegelbeeldisomeerpuur voor te komen in de natuur. Dat roept de vraag op naar de manier waarop dit ooit gebeurd is.

De spiegel in scherven

Viedma-rijping is een mogelijke verklaring voor dit vraagstuk. In 2005 is dit proces ontdekt door Cristóbal Viedma toen hij een mengsel van chirale kristallen in vloeistof zeer hard maalde.^[3] Tot zijn verbazing bleken alle kristallen na een tijd linkshandig te zijn geworden. Verder onderzoek van Viedma toonde aan dat de richting van dit proces afhangt van de initiële verhouding tussen de spiegelbeeldisomeren: wanneer het mengsel iets meer rechtshandige moleculen bevat dan linkshandige moleculen, dan eindigt het mengsel volledig rechtshandig, en andersom. De resultaten van Viedma waren baanbrekend in de wereld van chiraliteitonderzoek. Aan de Radboud Universiteit hebben Wim Noorduin en collega’s verder ontdekt hoe Viedma-rijping toegepast kan worden op aminozuren en formuleerden een algemeen mechanisme.^[4]

Volgens deze theorie zijn er twee essentiële voorwaarden voor het plaatsvinden van Viedma-rijping. Ten eerste moet het chirale molecuul in een oplossing van linkshandig naar rechtshandig kunnen veranderen en andersom (linkshandig ↔ rechtshandig). Onder de juiste condities, bijvoorbeeld bij hoge temperaturen of in aanwezigheid van een sterk zuur, voldoen aminozuren en suikers aan deze voorwaarde en kunnen zij dus makkelijk links- of rechtshandig worden. Aan de tweede voorwaarde is moeilijker te voldoen. Het chirale molecuul moet namelijk een bepaalde kristalstructuur hebben als vaste stof. Daarin moeten beide spiegelbeeldisomeren een aparte set kristallen maken (zie figuur 3, structuur 1). Een mengsel met spiegelbeeldisomeren kan echter ook op een andere manier kristalliseren, waarbij de rechts- en linkshandige moleculen elkaar afwisselen (zie figuur 3, structuur 2). Deze structuur komt vaker voor waardoor Viedma-rijping grotendeels beperkt is tot een aantal chirale stoffen.

Figuur 3: Een oplossing van twee spiegelbeeldisomeren kristalliseert hoofdzakelijk in twee kristalstructuren: een structuur waarin er twee aparte sets zijn van links- en rechtshandige kristallen (structuur 1) en een samengestelde structuur (structuur 2). Een schatting van de relatieve verdeling is gegeven als percentage.

Indien aan deze twee voorwaarden is voldaan kan een mengsel van beide spiegelbeeldisomeerkristallen volledig worden omgezet naar enkel rechts- of linkshandige kristallen door ze simpelweg heel hard te malen (zie figuur 4). Dit kan men doen door een magnetisch staafje snel te laten draaien met wat glasparels. De eenvoud van Viedma-rijping – het stomweg heel hard malen – maakt het een van de meest logische verklaringen voor het voorkomen van de bouwstenen van het leven in slechts één specifieke spiegelbeeldisomeer. De twee voorwaarden van Viedma-rijping zijn echter beperkend. Zo vormen slechts drie van de twintig aminozuren van nature de juiste kristalstructuur voor Viedma-rijping. Er zijn omstandigheden waarin de andere aminozuren toch kristalliseren in de juiste structuur, maar de vraag is of zulke omstandigheden in de natuur kunnen voorkomen.

Figuur 4: Schematische afbeelding ter illustratie van Viedma-rijping. Blauwe en rode vierkantjes representeren respectievelijk links- en rechtshandige kristallen. De kolf bevat ook een roerstaafje en glazen parels zodat het mengsel van kristallen zeer hard gemaald wordt. Na verloop van tijd veranderen alle kristallen in een specifiek spiegelbeeldisomeer (in dit geval rechtshandig), mits aan twee voorwaarden is voldaan. (1) De moleculen kunnen in een oplossing van linkshandig naar rechtshandig veranderen of andersom. (2) Het mengsel van spiegelbeeldisomeren kristalliseert in een vorm waarin elk spiegelbeeldisomeer in een aparte set voorkomt.

Het volgen van Viedma-rijping

Hoewel het Viedma-rijpingsproces vrij simpel is, is het observeren ervan ingewikkelder. Spiegelbeeldisomeren zijn namelijk vrijwel identiek in fysisch-chemische eigenschappen, wat het meten van de hoeveelheid links- en rechtshandige moleculen lastig maakt. Veel studies gebruiken dure en complexe methodes om dit te doen, maar in mijn studie onderzocht ik of het proces te meten is met een zeer simpel apparaat: de polarimeter.

Een polarimeter meet hoeveel graden licht van richting is gedraaid nadat het door een oplossing is gereisd. Dit licht is van tevoren gepolariseerd, wat betekent dat het slechts in één richting vibreert, in tegenstelling tot ongepolariseerd licht dat in alle richtingen vibreert. Chirale moleculen kunnen de richting van gepolariseerd licht draaien: rechtshandige moleculen draaien het licht met de klok mee terwijl linkshandige moleculen het licht tegen de klok in laten draaien. Daarom worden links- en rechtshandige spiegelbeeldisomeren respectievelijk ook wel links- of rechtsdraaiend genoemd. Afhankelijk van de verhouding tussen links- en rechtsdraaiende moleculen, vindt er dus een bepaalde optische draaiing plaats die gemeten kan worden met een polarimeter (zie figuur 5).^d Een sample met evenveel links- als rechtsdraaiende moleculen heeft bijvoorbeeld een nettodraaiing van nul graden. Als we weten hoeveel chirale moleculen er zijn en de optische draaiing is gemeten, kan de verhouding tussen spiegelbeeldisomeren in een oplossing worden berekend. Deze verhouding wordt vaak in een mate van relatieve puurheid (%) uitgedrukt.

Figuur 5: Een illustratie van een simpele polarimeter met de volgende onderdelen: (1) een ongepolariseerde lichtbron, (2) een polariserend filter dat het licht in de verticale richting polariseert, (3) het chirale sample dat dit gepolariseerde licht links- of rechtsom draait, afhankelijk van de dominante spiegelbeeldisomeer, (4) een polariserend filter die de draaiing in graden meet en (5) een detector.

De polarimeter werd getest door een suspensie van links- en rechtsdraaiend aminozuur zeer hard te malen. In het mengsel zaten in beginsel iets meer links- dan rechtsdraaiende moleculen. Over tijd werden verschillende samples van het mengsel genomen en geanalyseerd aan de hand van de polarimeter. In figuur 6 is te zien dat de puurheid toeneemt naarmate de tijd vordert, wat in dit geval betekent dat de linksdraaiende kristallen toenemen ten koste van de rechtsdraaiende kristallen.

Figuur 6: De evolutie van de puurheid van een mengsel dat in beginsel iets meer links- dan rechtsdraaiende kristallen had. Over het tijdbestek van tien dagen ontstaat er een vrijwel puur linksdraaiend product. De puurheid is gemeten met een polarimeter, wat aantoont dat het proces kan worden gevolgd met de toegankelijke methode van polarimetrie.

Dit resultaat toont aan dat polarimetrie kan worden gebruikt om het proces van Viedma-rijping te volgen, wat de weg vrijmaakt voor toegankelijkere experimenten die bijvoorbeeld kunnen worden ingezet met educatieve doeleinden. Zo’n educatief experiment zou dan het fascinerende fenomeen van Viedma-rijping kunnen demonstreren, aan de hand waarvan studenten kunnen leren over spiegelbeeldisomeren en polarimetrie.

Conclusie

De wereld van spiegelbeeldisomeren draait op mysterieuze wijzen. Een van de grootste raadsels: waarom zijn alle aminozuren linkshandig en suikers rechtshandig? Het fenomeen Viedma-rijping geeft hier mogelijk een verklaring voor. Een mengsel van twee spiegelbeeldisomeren kan puur rechts- of linkshandig worden door het heel hard te malen. Er resteert echter wel de vraag of de voorwaarden waaronder dit gebeurt, behaald kunnen worden in de natuur.

Om vervolgonderzoek naar dit onderwerp aan te wakkeren, is het belangrijk dat studenten in contact komen met Viedma-rijping. Een integraal deel hiervan is dat er simpele experimenten worden ontwikkeld voor educatieve doeleinden. In mijn onderzoek toon ik aan dat polarimetrie, een zeer toegankelijke methode, gebruikt kan worden om het proces van Viedma-rijping te volgen. Dit maakt de weg vrij voor een educatief experiment dat studenten de mogelijkheid biedt om een kijkje te nemen in de fascinerende wetenschap omtrent spiegelbeeldisomeren, chiraliteit en Viedma-rijping.

Redacteur: Victoria Bosch

Pim Dankloff studeert de master Molecular Sciences aan de Radboud Universiteit met een specialisatie in fysische chemie. Hij heeft hiervoor de bachelor Moleculaire Levenswetenschappen afgerond aan de Wageningen University & Research. Zijn onderzoeksinteresse betreft het ontstaan van het leven, chiraliteit en biologisch geïnspireerde materialen. Hiernaast heeft Pim een passie voor onderwijs en wetenschapscommunicatie. Hij is sinds begin 2022 redacteur bij De Focus.