Biologische motoren sorteren moleculen één voor één op een chip
Onderzoekers van het Kavli Instituut voor Nanoscience van de Technische Universiteit Delft hebben de motortjes van biologische cellen weten te gebruiken in zeer kleine kanaaltjes op een chip. Hiermee bouwden ze een transportsysteem waarvan de moleculen individueel met een elektrische spanning aangestuurd kunnen worden. Als demonstratie wisten de Delftenaren hiermee afzonderlijke moleculen op kleur te sorteren. Henry Hess van de Universiteit van Florida noemt de Delftse ontdekking "het eerste verkeerscontrolesysteem in de biomoleculaire motor-nanotechnologie". De resultaten worden gepubliceerd in Science van 12 mei 2006.
De biologische cel is een complex van vele verschillende eiwitfabriekjes. Het noodzakelijke transport van materialen binnen de cel gebeurt over een netwerk van zogenoemde microtubules: lange buisvormige eiwitten die vanuit de celkern in een stervormige organisatie naar de wanden van de cel reiken. Moleculaire biomotoren, zoals het enzym kinesine, kunnen met een vrachtje materiaal in kleine stapjes (van 8 nanometer) langs zo'n microtubule-netwerk lopen en zo het transport binnen de cel verzorgen.
'Crowdsurfende' eiwitbuisjes
Gefascineerd door deze biologische motoren, verkennen onderzoekers van het Kavli Instituut voor Nanoscience aan de TU Delft momenteel de mogelijkheid om kinesine-motoren en microtubules in te zetten in een elektrisch aangestuurd transportsysteem dat door de mens gemaakt is met nano-fabricagetechnieken.
Hierbij gebruiken zij het systeem in een omgekeerde setting: de kinesine-motortjes worden in grote hoeveelheden op een oppervlakte vastgezet met hun 'voetjes' omhoog; de microtubules (van ongeveer 1 tot 15 micrometer lengte) worden vervolgens over het 'tapijt' van motortjes getransporteerd. De microtubules zijn dus als het ware aan het 'crowdsurfen' over de zee van kinesine-motortjes. Een bijzondere uitdaging in het onderzoek was om ervoor te zorgen dat de microtubules in een bepaalde richting gestuurd kunnen worden en niet door botsingen van het motortapijt loslaten.
Promovendus Martin van den Heuvel, student Martijn de Graaff en onderzoeksleider Cees Dekker hebben nu voor het eerst bereikt dat microtubules één voor één gestuurd kunnen worden. Een belangrijke stap was daarbij om het transport van microtubules in heel kleine afgesloten vloeistofkanaaltjes te laten plaatsvinden. Daardoor lukte het om een sterk elektrisch veld lokaal bij een Y-splitsing in de kanaaltjes aan te brengen. Hierdoor kan een elektrische kracht uitgeoefend worden op individuele microtubules. De onderzoekers ontdekten dat ze met deze elektrische kracht de voorkant van de microtubule in een bepaalde richting konden duwen.
Eiwitbuisjes sorteren
In een demonstratie lieten de onderzoekers een mix van groene en rode fluorescente microtubules op een Y-splitsing afkomen. Door nu, afhankelijk van de kleur van de microtubule, de richting van de elektrische kracht om te schakelen, wisten de Delftenaren de groene en rode microtubules in verschillende reservoirs te verzamelen (een filmpje is te zien op http://www.mb.tn.tudelft.nl/biomotors/biomotors.mov).
Met hun aanpak van de nanokanalen slaan de onderzoekers twee vliegen in één klap. Behalve de mogelijkheid om individuele microtubules te sturen, wisten ze hiermee ook te voorkomen dat microtubules konden ontsporen uit hun pad.
En passant vonden de Delftse onderzoekers dat hun werk ook een derde interessant aspect herbergt. De afgesloten kanalen bieden de mogelijkheid om het elektrisch transport van vrije microtubules te observeren, en het blijkt dat de snelheid van de microtubules onder een extern elektrisch veld sterk afhankelijk is van de oriëntatie van de cilindervormige moleculen. Het was de eerste keer dat deze oriëntatieafhankelijkheid van de elektroforetische mobiliteit waargenomen werd.
In een begeleidend artikel in Science schrijft Henry Hess van de Universiteit van Florida dat de Delftse onderzoekers het eerste verkeerscontrolesysteem in de biomoleculaire motor-nanotechnologie hebben ontwikkeld.
Het onderzoek is financieel mede mogelijk gemaakt door de Spinoza- en Pionierspremies die Dekker de afgelopen jaren van NWO ontving.
Nadere informatie bij prof.dr. Cees Dekker, tel. (015) 278 60 94.