Wetenschappers maken 'chemisch 3d-printen met moleculen' mogelijk

Onderzoekers van drie Amerikaanse universiteiten ontwikkelden een machine voor het geautomatiseerd maken van verschillende soorten biomoleculen. Zo kunnen met slechts een klein aantal chemicaliën duizenden soorten biomoleculen gemaakt worden.

Het proces waar de machine voor gebruikt wordt, en dat veel weg heeft van 3d-printen op moleculair niveau, staat vrijdag beschreven in de laatste editie van Science. Met de machine is het mogelijk om op een goedkope manier snel en flexibel verschillende biomoleculen of small molecules te synthetiseren, die bijvoorbeeld voorkomen in bijzondere planten. Zo lijkt het synthetiseren van een complex molecuul uit verschillende chemische basisingrediënten heel simpel, maar dat is het niet, zegt hoofdontwikkelaar Martin Burke op PopularMechanics.

"Er zijn veel moleculen in de natuur met bijzondere eigenschappen en die zijn heel moeilijk na te maken. Ook kun je die niet bij de laboratoriumgroothandel krijgen," zegt Burke. "De algemene aanname is lang geweest dat je per molecuul een eigen manier moet verzinnen om ze te kunnen bouwen, zeker als je er een geautomatiseerd proces van wilt maken. Wij hebben laten zien dat je steeds hetzelfde systeem kunt gebruiken en toch steeds radicaal verschillende moleculen kunt bouwen. Je hoeft alleen maar het stap-voor-stap proces aan te passen."

De nieuwe machine simplificeert het synthetiseren tot een aantal algemene stappen. Elke stap vereist een aantal startchemicaliën die in verschillende bouwblokken aangeboden worden. De machine biedt een bouwblok aan, waarna er tot een chemische reactie wordt aangezet. Vervolgens worden de bijproducten verwijderd. Zo wordt elk molecuul langzaam van de grond op opgebouwd.

Op deze manier weet de machine duizenden verschillende chemicaliën te maken in veertien verschillende klassen van biomoleculen. Helaas is niet alle informatie vrijelijk beschikbaar, zoals de manier om de gewenste moleculen te scheiden van de te verwijderen bijproducten.

Small molecules worden onder andere gebruikt voor medicijnen, oleds en fotovoltaïsche cellen. De machine kan mogelijk helpen bij onderzoek naar oleds en zonnecellen voor elektronica, door sneller verschillende varianten van de moleculen en hun eigenschappen te kunnen testen.

Reacties (38)

Martin Burke is een grote naam in deze wereld. Hij is van oorsprong organisch-chemicus (vanaf Harvard) en daarna gespecializeerd als medical doctor (MD), dus hij weet alles over de bouwstenen van eiwitten, wat handig is als je deze via bottom-up 3D printing maakt.
De afgelopen jaren heeft hij meerdere Nature, JACS en Angewandte Chemie papers binnengehaald op het gebied van het synthetiseren van natuurlijk producten, zoals eiwitten en pigmenten.

Sinds 2005 is hij full-time aangesteld bij de universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. Een universiteit met naam en faam overigens. Hier is ook Jennifer Lewis begonnen met haar 3D printen. Inmiddels zit zij bij Havard University.

[Reactie gewijzigd door Jolke op 13 maart 2015 15:44]

Een hele mooie uitvinding met een groot potentieel maar ben ik de enige die hier ook een beetje een naar gevoel bij krijgt?? Met deze machine kun je dus ook relatief eenvoudig hele nare moleculen in elkaar zetten. Nu is het nog nieuw maar deze tech wordt over een tijdje breder beschikbaar met alle voor- en mogelijke nadelen van dien.

Als master student scheikunde heb ik hier toch mijn twijfels bij en in hoeverre je veel small molecules kan maken. De professor lijkt het heel simpel te presenteren, alsof je kleine moleculen simpel aan elkaar "klikt" en een functioneel product maakt. In een universitair lab gaat dit echter met veel moeite, herhaling en ontzettend veel tegenslagen. Het maken van de zogenaamde C-C bonds is niet zo eenvoudig als het "klikken" via deze printer.

Wellicht dat het écht kei goed werkt -en ik er volledig naast zit-, maar dan zit ik binnenkort ook zonder baan.

Vermoedelijk wordt het even voor de rest van de wereld extreem simplistisch uitgelegd, opdat men dan er een makkelijk beeld bij kan vormen. Het zal mij niks verbazen dat het, zoals je al aangeeft, minder simpel werkt zoals het doet lijken. Is dat niet vaker zo?

Ja natuurlijk is verhaal eningszins simplistisch uitgelegd. Hoewel zelfs ik van mening ben dat men hier op Tweakers een stuk meer interesse in wetenschap heeft dan de gemiddelde telegraaf lezer, is er nog steeds sprake van een breed bericht.

In de industrie worden chemicalieën echt niet een voor een inelkaar gezet, het is een kwestie van de juiste omstandigheden creëren, mengen, en zuiveren. Voor zeer ingewikkelde moleculen haalt men nu uit levende wezens, bijvoorbeeld insuline uit gemanipuleerde bacterieën, of cytostatica, uit coniferen.

Als dit in een fabriek gemaakt moest worden dan zouden er zeer veel stappen nodig zijn met na elke productiestap een zuiveringsstap. Uiteindelijk zouden er heel veel maasvlaktes nodig zijn om een klein beetje medicijn te produceren.

Organismen zoals de gemanipuleerde bacterie of de conifeer, kunnen moleculen wel één voor één in elkaar zetten. Alleen hebben die technieken ook bepaalde limitaties. Er kan bijvoorbeeld uit taxusnaald slechts 0,1% product gewonnen worden. En dat zijn alleen de naalden van het plantje!

Eén voor een inelkaar zetten wordt concurrent van dat soort technologie. En misschien alleen nog wel van het vooronderzoek. Men kan stoffen printen die met gewone labsynthese erg moeilijk te maken zijn en die ook niet in planten of dieren voorkomen.

Of een klein lab kan het gebruiken omdat genetische manipulatie van bacterieën economisch niet haalbaar is. Ik noem maar wat.

Click reacties obv oa azides (dacht ik) tripel c-bonds reageren vrij snel. Volgens mij moet je hier een heel eind mee kunnen komen (correcties altijd welkom)

Clickreacties zijn inderdaad snel, maar vereisen gebruik van koper, wat behoorlijk giftig is. Nu kun je ook kopervrij clicken maar dan maak je verbindingen die veel groter zijn dan de target-moleculen ben ik bang.

Dacht dat koper nog wel mee viel. Maar ben persoonlijk alleen bezig geweest met koper octoaat/naphtenaat of blauwe pigmenten. Heb geen idee wat er voor ligand bij click reacties gebruikt word.

Maar aannemendende hoeveelheid lijkt me het niet zo lastig om alles in een gesloten omgeving uit te voeren? Dan moet de giftigheid niet zon probleem zijn.

Edit; typos

[Reactie gewijzigd door AeoN909 op 13 maart 2015 16:20]

Nee, koper valt helemaal niet mee. Een spoortje koper is al genoeg om een product niet meer biocompatibel te maken. Ik ben zelf bezig met koper-TBTA (inkapselend ligand), maar dat is dus ook rete-giftig. Probleem is dat het vooral zo moeilijk is om het eruit te wassen.

Hoe dan ook, naast clickchemie zijn er natuurlijk een hoop alternatieven om verbindingen tussen building blocks te maken. Het baanbrekende aan dit project, behalve dan misschien het maken van een machine die in staat is om meerdere reactiestappen achter elkaar uit te voeren, ontgaat mij een beetje.

Dat zal zeker interessant zijn ja.

Bedankt voor je info.

Click reacties heb je inderdaad mét en zonder koper (strain promoted click reaction). Maar dan zit je met een probleem: dan heb je een een azide-5-ring in een small molecule wat heel waarschijnlijk je hele molecuul waardeloos maakt. Ook niet echt de bedoeling lijkt me
De C-C bonds zijn het lastigst te realiseren, chemisch gezien...

Let wel op, er wordt veel onderzoek naar 'click' chemie gedaan. CuAAC is de eerste, maar slechts een van velen en zeker niet de snelste. Veel efficiënte reacties werden door de click hype ook als click bestempeld terwijl ze momenteel zo niet meer aanzien worden. Thiol-ene is een mooi voorbeeld van een efficiënte reactie die geen koper vereist en eveneens niet per definitie grote verbindingen vormt.

Klopt. Punt is alleen, bij alle click-chemie, dat je dus wel een bepaalde functionele groep (triazol in het geval van CuAAC) introduceert in het molecuul. Zeker met thiol-ene chemie zijn die groepen niet onschuldig en kunnen ze dus hele andere (verkeerde) eigenschappen introduceren in het product.

Da's dus gewoon een kwestie van je building blocks slim kiezen

Ik heb ook niet de indruk dat dit bedoelt is om grote hoeveelheden te maken, dus wil je productie zal er alsnog een andere (biologisch/chemische) manier gevonden moeten worden.

En hij zegt wel dat je de bouwblokjes makkelijk kunt gebruiken, maar dat wil natuurlijk niet zeggen dat je met de bouwblokjes die ze hebben alles voor elkaar kunt krijgen. Dit project geeft je echter de kans om moleculen die je kunt maken te testen in kleine hoeveelheden voor je een productieproces moet uitzoeken.

Precies zo. Leuk voor een krantenartikel, maar we horen zo vaak over innovaties, maar het blijven artikels in kranten.

<SBS6_modus>Wat is hier de chemische restrictie om te voorkomen dat er vuile bommen mee gemaakt kunnen worden?</SBS6_modus>
De onderliggende vraag in deze meer: Waar ligt de grens van ethiek binnen dergelijke uitvindingen?

<wetenschapper> Omdat een vuile bom maken heel simpel is, daar heb je geen machine voor nodig alleen maar radioactief materiaal.</wetenschapper>


wereldwijd paniek zaaien doen we zo

[Reactie gewijzigd door Dazzyreil op 13 maart 2015 15:45]

Volgens mij kun je een echt vuile bom met alleen mest en misschien wat ander spul ook al maken ;-)

Ik maakte vroeger vuile bommen met hondestront en een strijker

Welke restricties zijn er buiten dit project om? Er zitten restricties op welke stoffen je kunt kopen en sommigen worden geregistreerd omdat je er gevaarlijke middelen mee kunt maken. Dit soort restricties kun je met die buildingblocks ook doen.

Ik zie hier geen nieuw ethisch probleem. Je had sowieso al de mogelijkheid om moleculen chemisch samen te stellen, alleen maakt deze machine het gemakkelijker voor een bepaalde groep moleculen. Dezelfde ethische grenzen zijn van toepassing voor dezelfde moleculen lijkt me.

Uhm zoals hierbovennal aangegeven de missende elementen. Ze hebben het over bio moleculen dus er zullen voornamelijk koolstof, stikstof, waterstof, zuurstof en een aantal metalen in zitten.

Kan me zo geen synthese voor de geest halen waar plutoniun uranium of andere exoten voor gebruikt worden. (Voorzover ik weet, correcties welkom )

@hierboven. Als lab kun je in principe alle stoffen kopen/synthetiseren. Voor stoffen waar drugs mee gemaakt kunnen worden moet je een registratie bij houden vanbwat je verbruikt zodat je het kan verantwoorden. Stoffen die accijnsplichtig zijn (ethanol) moeten in pure vorm ook geregistrees worden voor eventuele belasting afdracht ( als je iets alcoholhoudens maakt voor consumptie.

Edit;aanvulling

[Reactie gewijzigd door AeoN909 op 13 maart 2015 16:06]

Wat is hier de chemische restrictie om te voorkomen dat er vuile bommen mee gemaakt kunnen worden?

De beschikbaarheid van radioactieve materialen misschien...!?

Als je dan op de paniek-zaai toer wilt, vraag je dan af of dit apparaat niet heel geschikt is voor de productie van XTC en dergelijke.
[small]Geen idee, vermoedelijk wel. Van de andere kant, ik heb liever dat iemand die XTC produceert deze machine pakt (en daarmee automatisch een zuiver product, zonder nog veel ergere rotzooi erdoor, fabriceert) dan dat ie zelf met zijn scheikunde-hobbydoos in de weer gaat en na wat geklooi iets produceert wat wel ongeveer in de richting komt, zonder te weten hoe (of, de moeite te willen doen om) dat te zuiveren.[small]

Small molecules worden onder andere gebruikt voor medicijnen, oleds en fotovoltaïsche cellen. De machine kan mogelijk helpen bij onderzoek naar oleds en zonnecellen voor elektronica, door sneller verschillende varianten van de moleculen en hun eigenschappen te kunnen testen.

Waaah!? Je noemt drie gebieden op en gaat vervolgens in op de twee daarvan die veruit het minst interessant is? Zie ook het filmpje, daar wordt ook voornamelijk gekeken vanuit de medicijnen-hoek!

Dat er nu sneller kandidaat-medicijnen geproduceerd kunnen worden is veel belangrijker, dat gaat over medisch onderzoek. Ook zou dit apparaat waarschijnlijk uiterst geschikt zijn om zeer specifieke medicijnen te produceren in kleine batches; dat brengt de goedkope(re) productie van medicijnen voor zeldzame aandoeningen een gigantisch stuk dichterbij ("maakt het in één klap volkomen haalbaar" als ik het goed lees).

Ik weet niet of de ontwerpers van het apparaat zelf kans maken op de Nobelprijs voor Geneeskunde, of dat die eerder terecht zal komen bij iemand die, met dit apparaat, een specifieke ziekte aanpakt. Hoe dan ook, als deze methode zelfs maar half zo veelbelovend is als het lijkt te zijn, dan gaat iemand hiermee een ticket naar Stockholm verdienen.

Zelfde als nu, geen.

ethiek? das in the eye of the beholder.............. wat jij ethisch verantwoord vindt hoeft een ander niet te vinden...

Ff een nieuwe knie/ elleboog printen.

Dit systeem maakt het mogelijk om een groot aantal biomoleculen te maken, maar dit is slechts een onderdeel van het maken van een nieuw lichaamsdeel. Om dit voor elkaar te krijgen zul je moleculen nog op de juiste manier aan elkaar moeten knopen

Wow, een mooie stap.
Tel hierbij nog eens 20 jaar op en we kunnen een hoop creëren zonder hele Fabrieken weg te zetten.

Dit is dus eigenlijk een geavanceerde peptide-synthesizer. Maar die bestonden al.

is dit het kleine beginnetje van de replicator uit startrek?

"Tea, Earl Grey, Hot!"

https://www.youtube.com/watch?v=R2IJdfxWtPM

[Reactie gewijzigd door pizzafried op 13 maart 2015 15:24]

Ik had precies dezelfde gedachte.

ik ook, toen ik had las dacht ik meteen aan de Replicator van Star Trek

Nooit meer naar een dealer! Snel waar koop ik zo'n ding!

Ik merkte alleen nog een kleine discrepantie op tussen de zin 'a company has invested heavily in this' en '...this technology accessible to everybody...'?

Ohhhh, alle medicijnen die ik ga printen en ga testen als ik deze zou hebben.