'Een definitie van de systeemchemie geven is een riskante bezigheid, omdat het veld nog zo jong is”, zegt Sijbren Otto, hoogleraar systeemchemie aan de Universiteit van Groningen. 'Onze werkdefinitie luidt dat we een complex chemisch systeem willen maken met eigenschappen die een gevolg zijn van het hele systeem en niet van de individuele moleculen. Het totaal is meer dan de som der delen.'
Jan van Esch, hoogleraar nanochemie aan de TU Delft: 'Er zijn verschijnselen die te maken hebben met interacties tussen processen in een complex netwerk van chemische reacties. Die laten zich niet bestuderen of voorspellen door naar de individuele reacties of componenten te kijken. De systeemchemie bestudeert die verschijnselen.”
Rein Ulijn, hoogleraar nanochemie en directeur van het Nanoscience Initiative van de City University New York, definieert de systeemchemie als de studie van mengsels van moleculen die als geheel een functioneel systeem vormen. 'De naadloze integratie van levende en synthetische systemen zou kunnen leiden tot systemen die in staat zijn tot de autonome diagnose en therapie voor een ziekte. Een ander doel is het gebruik van zonlicht voor chemische en mechanische processen zoals de biologie dat doet, maar dan simpeler. De ultieme groene technologie.'
 
Oorsprong van het leven
Het verschil met systeembiologie is, legt Otto uit, dat er in dat geval al een systeem is. 'Wij chemici moeten in veel gevallen het systeem zelf ontwerpen. Je kunt een willekeurig aantal stoffen uit een chemicaliën-catalogus mengen. Dan heb je wel een complex mengsel, maar nog geen systeem, omdat het als geheel geen eigenschappen heeft die de individuele onderdelen niet hebben. We zijn nog bezig te leren hoe je zo'n systeem bouwt.'
Een belangrijke heilige graal is volgens Otto het beantwoorden van de vraag: Wat is er nodig om leven te laten ontstaan? Otto: 'De NASA wil bijvoorbeeld dolgraag weten of ze tijdens hun missies moeten zoeken naar water, eiwitten of DNA-achtige moleculen om buitenaards leven te vinden. Of zijn er ook andere wegen die naar leven leiden? Niemand kan daar een antwoord op geven totdat je nog een keer leven maakt in het lab, uitgaande van andere bouwstenen dan eiwitten en DNA. Je kunt dan beter begrijpen wat er nodig is voor leven. Dat vind ik een grote uitdaging.'
Zoals veel onderzoek begon ook Otto's speurtocht naar evolutie in een reageerbuis met een toevallige ontdekking. Hij maakte bouwstenen van dithiolen die door middel van zelf-assemblage een complexe structuur moesten vormen. Normaal gesproken vormt zich dan een evenwicht in het mengsel met een statistische verdeling van alle mogelijke structuren. Maar Otto ontdekte dat ófwel ringen bestaand uit zes bouwstenen óf ringen van zeven bouwstenen gevormd worden, maar nooit een mengsel van beide. Bovendien vormen de ringen aggregaten; slierten die door middel van roeren weer breken. Daarna groeien de twee delen weer verder. De slierten kunnen zichzelf en de moleculen waaruit ze zijn opgebouwd repliceren. Die reactie katalyseren de moleculen zelf, een verschijnsel dat autokatalyse heet. Het systeem vertoont zo exponentiële groei. “Dat is normaal in de biologie, maar uniek voor een chemisch systeem”, zegt Otto. Door de omstandigheden goed te kiezen kunnen de onderzoekers sturen of ze slierten krijgen van zesringen of zevenringen. Dat lijkt al veel op natuurlijke selectie.
Het volgende doel dat Otto wil bereiken op weg naar synthetisch leven is Darwiniaanse evolutie in het lab. Naast replicatie en selectie is daar ook een cyclus van opbouw en afbraak voor nodig. 'Ik verwacht dat we volgend jaar zo'n systeem hebben”, verkondigt Otto. Om die opmerkelijke uitspraak vervolgens weer te relativeren: 'Maar dat zeg ik al enkele jaren.'
 
Uit evenwicht
Een belangrijk doel van de systeemchemie is het begrijpen van de spontane organisatie en structuurvorming van systemen die ver buiten evenwicht zijn, vertelt Jan van Esch. 'Organisatie in een systeem heeft twee vormen. De ene is het thermodynamisch evenwicht. Het tweede is organisatie die veroorzaakt wordt door constante toevoer van energie zoals in een wervelstorm. Deze organisatie kan ook op nanoschaal met moleculen optreden, waarbij de energie geleverd wordt door bijvoorbeeld licht of een chemische reactie. Dit gebeurt ook in levende cellen”, legt Van Esch uit.
Van Esch ontwikkelt hiervoor modelsystemen met bijvoorbeeld dibenzoyl-(l)-cystine. Dat vormt een gel, maar alleen zolang er een 'brandstof' aan het systeem wordt toegevoerd. Deze brandstof is methyljodide die van een negatief geladen carboxylaat een methylester maakt. De negatief geladen variant geleert niet, de variant met methylesters wel. Maar de gevormde methylester wordt makkelijk gehydrolyseerd in de oplossing. Zonder de voortdurende toevoer van methyljodide zijn alle estergroepen na verloop van tijd weer omgezet in carboxylaat en valt de gel weer uit elkaar. 'Dit is een voorbeeld van een systeem dat niet in evenwicht is, maar in een georganiseerde, gelvormige toestand wordt gehouden door de voortdurende toevoer van de brandstof methyljodide”, zegt Van Esch.
Van Esch wil nu een katalytische stap toevoegen aan dit systeem. Daarbij vormen eerst de bouwstenen voor de gel middels een katalytische reactie. Daarna vormt de gel zelf. Geen katalysator betekent geen gelvorming. En zet je de katalysator bijvoorbeeld op een oppervlak, dan vormt de gel ook op het oppervlak. Zo kun je de tijd en plaats van de gelering sturen, legt Van Esch uit.
 
Chemische evolutie
Rein Ulijn werkt in Amerika aan functionele structuren op basis van peptiden. Hij gebruikt enzymen voor het aandrijven van de zelfassemblage van peptiden. 'Ons onderzoek maakt gebruik van de complexiteit van deze peptiden om nieuwe materialen te ontdekken net zoals de biologie complexiteit gebruikt om zich aan nieuwe omstandigheden aan te passen.' Ook de systemen van Ulijn zijn thermodynamisch uit evenwicht. Kinetische aspecten zoals het vormen en weer uiteenvallen van complexen en katalyse, bepalen de eigenschappen van het systeem.
Ulijn liet bijvoorbeeld zien dat de structuur van een gel die gevormd wordt door tripeptiden afhankelijk is van de sequentie van de drie aminozuren in het peptide en van de aanwezigheid van een enzym. 'Binnen een jaar hopen we aan te tonen dat we, via dynamische uitwisseling van peptiden, materialen kunnen maken die zich autonoom aanpassen aan de omstandigheden. Dat is dus chemische evolutie van peptidestructuren”, aldus Ulijn. Die materialen zouden kunnen worden gebruikt voor soft robotics, een gebied van de robotica dat niet enkel hard plastic of metaal gebruikt maar ook zachte materialen, bijvoorbeeld voor robotvingers die kunnen 'voelen'.
 
Een andere toepassing van systeemchemie zou in de farmaceutische industrie kunnen liggen, denkt Sijbren Otto. Daar worden middels combinatoriële chemie grote databases aan stoffen gescand op activiteit. Is een mengsel actief, dan wordt een mengsel van de helft van de componenten weer gemeten. Je verwacht dat één van de helften wel actief is en de andere niet, zodat je met het actieve deel verder kunt gaan. Maar in deze experimenten zitten veel 'vals positieven', vertelt Otto. 'Het hele mengsel was wel actief, maar de delen niet. In mijn ogen is dat geen vals positief, maar een effect van het systeem, systeemchemie dus. Ik denk dat er in deze tak van de systeemchemie heel veel potentie zit richting farmaceutische toepassingen,” verwacht Otto.

Dit artikel is gepubliceerd in C2W nr. 16, september 2015.