Het geheim van dopamine-coatings onthuld

Dopamine is vooral bekend als neurotransmitter in de hersenen. Minder bekend is dat de onderwaterlijm die mosselen maken grote hoeveelheden L-dopa bevat, een vorm van dopamine. Dit inspireerde onderzoekers om coatings van polydopamine te ontwikkelen, die bijvoorbeeld zijn te gebruiken om oppervlakken die niet reageren met andere stoffen te activeren. Een probleem hierbij is dat niemand weet wat de precieze structuur van die coatings is. Er zijn verschillende modellen gemaakt van polydopamine, maar RUG-onderzoekers laten nu via directe metingen zien hoe ze echt in elkaar zitten. Hun resultaten zijn op 7 februari gepubliceerd in Nature Communications.

Coatings van polydopamine zijn zeer veelbelovend: er is alleen water nodig als oplosmiddel, en ze zijn biocompatibel. Bovendien zijn ze veelzijdig en hechten aan bijna alle mogelijke oppervlakken. Daarbij zijn ze handig als ‘tussenlaag’, bijvoorbeeld op oppervlakken die zelf bijna nergens aan hechten zoals polyolefine kunststoffen. ‘Maar we begrepen niet hoe ze precies zijn samengesteld en hoe ze zich vormen’, legt Hamoon Hemmatpour uit. Hij is postdoc in de Producttechnologie groep van het Engineering and Technology Institute Groningen van de RUG.

Bouwstenen

Om dit gat in onze kennis te dichten bestudeerde Hemmatpour de vorming van de coatings. ‘Op macroscopische schaal vormt deze coating zeer snel, te snel om de intermediaire verbindingen te bestuderen die zouden laten zien wat er precies gebeurt’, legt hij uit. Daarom gebruikte hij buisjes van een klei-mineraal van nanometer-formaat als substraat waarop zich een coating vormt. Door het grote oppervlak en de negatieve ladingen van het mineraal trekt dit de intermediaire verbindingen aan uit de oplossing. Dat vertraagt het proces van polymerisatie. ‘Daardoor konden we monsters van de nanobuisjes nemen tijdens de polymerisatie om de intermediaire verbindingen te bestuderen.

Bij eerdere pogingen om de structuur van polydopamine coatings te achterhalen zijn technieken zoals massaspectroscopie gebruikt, die wel de samenstelling laten zien, maar niet de exacte chemische structuur van de polymeer. Door de intermediaire stoffen op de nanobuisjes te bestuderen met vaste stof NMR en röntgen foto-elektron spectroscopie (XPS) kon Hemmatpour reconstrueren wat er tijdens polymerisatie gebeurt. ‘Deze technieken laten namelijk zien welke chemische bindingen er aanwezig zijn.’ Toen al deze informatie verzameld was, konden Hemmatpour en zijn collega’s eerst de structuur van de bouwstenen bepalen, en zo de structuur van de coating oplossen.

Zuurgraad

De eerste stap is polymerisatie van dopamine, wat begint als de zuurgraad in de oplossing waarden van 8,5 of hoger bereikt. ‘Wat we ook opmerkten is dat het TRIS-zout uit de buffer die de zuurgraad bepaalt onderdeel werd van de structuur, een flink hoeveelheid in het begin van de reactie en later wat minder.’ De analyse liet ten slotte auto-oxidatie van dopamine zien, gevolgd door het ontstaan van kruiselingse verbindingen, het vormen van ringsluiting tussen moleculen en isomerisatie.

Het onderzoek liet zo zien hoe de coatings zich vormen en welke structuur ze hebben. Met die kennis kunnen wetenschappers het proces aanpassen voor specifieke toepassingen. ‘We denken ook dat het met deze nanobuisjes mogelijk is andere snelle processen te bestuderen’, zegt Hemmatpour. ‘En door de nanobuisjes een groter oppervlak te geven zouden we reacties nog verder kunnen vertragen.’

Zenuwcel

‘Er zijn ook andere interessante conclusie die we kunnen trekken uit ons werk’, voegt Hemmatpour toe. ‘In zenuwcellen ligt dopamine opgeslagen in blaasjes met een zeer lage zuurgraad, maar bij neurodegeneratieve ziekten gaan die blaasjes lekken, zodat dopamine eruit loopt in de cel waar de zuurgraad hoger is. Daar polymeriseert het dopamine vervolgens tot giftige klontjes die uiteindelijk de zenuwcel kunnen doden. Ons werk levert zo nieuwe inzichten op in de mechanismen van het proces en kan de weg wijzen naar een behandeling van neurodegeneratieve ziekten.’

Referentie: Hamoon Hemmatpour, Oreste De Luca, Dominic Crestani, Marc C. A. Stuart, Alessia Lasorsa, Patrick C. A. van der Wel, Katja Loos, Theodosis Giousis, Vahid Haddadi-Asl & Petra Rudolf: New insights in polydopamine formation via surface adsorption. Nature Communication, 7 februari 2023.