Klassieke opvatting in chemie blijkt onjuist
Célia Fonseca Guerra heeft samen met haar VU-promovenda Stephanie van der Lubbe quantumchemisch verklaard waarom het guanine-guanine basepaar kortere waterstofbruggen heeft en sterker gebonden is dan het cytosine-cytosine paar. Met haar ontdekking haalde Fonseca Guerra de Front Cover van het blad Chemistry - A European Journal.
Waterstofbruggen
Een waterstofbrug wordt in de chemie gezien als een zwakke interactie tussen twee moleculen en lijkt op de interactie tussen magneten: soortgelijke ladingen stoten elkaar af en tegenstelde ladingen trekken elkaar aan. Elektronegatieve atomen zoals zuurstof en stikstof hebben een negatieve lading. Een waterstofatoom dat gebonden is aan een elektronegatief atoom zoals zuurstof, heeft een positieve lading. Waterstofbruggen ontstaan tussen het elektronegatieve atoom van het ene molecuul en het positieve waterstofatoom van het andere molecuul. In de klassieke opvattingen in de chemie leveren grotere atoomladingen sterkere en kortere waterstofbruggen op.
Theorie in de prullenbak
De waterstofbruggen tussen het basepaar guanine-guanine zijn korter en sterker dan die tussen cytosine-cytosine. Volgens de klassieke opvatting zou dit toegeschreven moeten worden aan het verschil in atoomladingen van de atomen die betrokken zijn bij de waterstofbruggen. Van der Lubbe en Fonseca Guerra geven nu met behulp van quantumchemische analyses een andere verklaring. De oorzaak van de relatieve lengte en sterkte ligt in het zogeheten uitsluitingsprincipe van Pauli. De bezette moleculaire orbitalen van de tegenoverliggende basen stoten elkaar als het ware af door hun quantumtoestand. Deze afstoting is in cytosine-cytosine sterker dan in guanine-guanine, waardoor guanine-guanine sterker gebonden is.
Op de voorkant
‘Wat speciaal is, is dat het hier gaat om fundamenteel theoretisch onderzoek’, zegt Fonseca Guerra. ‘Vaak halen alleen praktische toepassingen de voorkant van dit blad. Ik denk dat wij de voorkant gehaald hebben, omdat we met ons theoretisch onderzoek aangetoond hebben dat bindingsmodellen om de verkeerde redenen toevallig goed kunnen zijn. Daarnaast hebben we dit aangetoond met zeer bekende moleculen en niet hebben we hoeven te grijpen naar exotische systemen.’
Meer fundamenteel onderzoek
‘Ik denk dat Stephanie van der Lubbe nog veel interessant onderzoek gaat doen’, zegt Fonseca Guerra over de veelbelovende promovenda. ‘We hebben nu meer vertrouwen gekregen dat we oude bindingsmodellen over waterstofbruggen en zwakke interacties in twijfel moeten trekken en de noodzaak aangetoond om deze quantumchemisch te analyseren. Ik wil daarom in de toekomst meer fundamenteel theoretisch chemisch onderzoek doen om bestaande bindingsmodellen aan te scherpen en nieuw inzicht in chemische bindingen te verkrijgen.’
Célia Fonseca Guerra is sinds 1 februari werkzaam in Leiden als Bijzonder Hoogleraar Toegepaste theoretische chemie. Daarnaast is ze werkzaam als Universitair Hoofddocent op de Vrije Universiteit. In 2012 ontving ze de NWO Aspasiaprijs voor excellente vrouwelijke wetenschappers. Haar interesses variëren van moleculaire herkenning en supramoleculaire chemie tot bioanorganische chemie.