Print deze pagina 9 december 2005 2005/19

VU en FOM helpen sterke nanobouwstenen van DNA te construeren

Een team van Biofysici van de Vrije Universiteit Amsterdam, Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie en de Oxford University in Groot Brittannië heeft een belangrijke stap voorwaarts gezet in het nano-technologisch onderzoek. In het wetenschappelijke tijdschrift Science zijn de bevindingen 9 december 2005 gepubliceerd. Oxford maakte van DNA nanobouwstenen; de VU en FOM lieten met een speciale microscoop zien dat dit ook echt gelukt was en testten hoe sterk de constructie is, iets wat op nanoschaal beslist niet vanzelfsprekend is.

DNA heeft in dit onderzoek een ongewone functie. Hoewel het in levende organismen meestal voor de opslag van erfelijke eigenschappen dient, wordt het hier gebruikt als constructiemateriaal in de nanowereld. De specifieke binding die losse DNA-strengen met elkaar aangaan, maakt het mogelijk van tevoren gedefinieerde bouwsteentjes te construeren en aan elkaar te zetten, en ook nog snel. Een beperking van veel nanotechnieken is dat het meestal veel tijd kost om iets te construeren. Russell Goodman, Christoph Erben, Richard Berry en Andrew Turberfield van de Interdisciplinary Research Collaboration in Oxford laten zien dat door slim gebruik te maken van de genetische code, het DNA zo geprogrammeerd kan worden dat het zichzelf binnen enkele seconden assembleert tot driedimensionale bouwstenen.

Voor de constructie zijn vier verschillende stukjes DNA nodig (zie figuur 1). Elke DNA-streng heeft drie stukjes code die ieder passen op (complementair zijn met) één van de drie andere strengen. Als de vier DNA-strengen bij elkaar gevoegd worden, vormen ze een viervlak van driehoeken, een tetraëder.
De reden om voor een tetraëder te kiezen is omdat deze structuur licht en eenvoudig is, maar ook erg sterk. Deze vorm wordt in de macrowereld dan ook vaak in de architectuur en de techniek gebruikt, zie bijvoorbeeld de witte constructies boven de snelweg waaraan matrixborden hangen.

Het ultieme bewijs of dit idee met DNA werkt, is natuurlijk het zien en testen van het resultaat. En juist dit is in de nanotechnologie lastig: structuren in de orde van een miljoenste millimeter zijn zelfs met een elektronenmicroscoop nog steeds stipjes.

De onderzoeksgroep Fysica van complexe systemen van professor Christoph Schmidt gebruikte daarom een atomic force microscoop. Dit type microscoop gebruikt een heel fijn naaldje om het object af te tasten, vervolgens wordt deze informatie vertaald naar een driedimensionaal beeld.

Zichtbaar gemaakt
De onderzoekers Iwan Schaap en Catherine Tardin zijn erin geslaagd om met een speciaal gefabriceerde ultra-scherpe naald (diameter van slecht drie nanometer) de DNA-tetraëders zichtbaar te maken in water, de natuurlijke omgeving van DNA. Uit de scans bleek dat het DNA inderdaad tetraëders had gevormd met een hoogte van zeven nanometer.

Om te testen hoe sterk de structuur was, werden met dezelfde microscoop de zeer kleine tetraëders ingedrukt met het naaldje. Want in de bouwwereld mag een tetraëder dan sterk zijn, dat zegt nog niet of dit op nanoschaal nog steeds zo is. Iwan Schaap: "We zagen de structuur veren; er was echt elastisch gedrag te zien. Dankzij deze experimenten weten we nu dat een DNA-tetraëder relatief veel kracht kan hebben, maar we hebben ook de elasticiteit van DNA gemeten onder samendrukking in de lengterichting. Deze meting was tot nu toe experimenteel onmogelijk".

Men kan nu dus stevige bouwblokjes van DNA maken die zichzelf snel in elkaar zetten. Door op betrekkelijk eenvoudige wijze bindingsplaatsen te creëren, kunnen de onderzoekers de bouwstenen ook aan elkaar koppelen. Nu de mechanische eigenschappen bekend zijn, is de weg open om complexere bouwwerken en nanomachines van DNA te ontwerpen.

Meer informatie bij prof.dr. Christoph Schmidt, telefoon: (020) 598 79 72 of Iwan Schaap, telefoon: (020) 598 79 04.