Biologische motoren sorteren moleculen één voor één op een chip

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.

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 nanofabricage technieken.

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 microtubule buisjes 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 prof. Cees Dekker hebben nu voor het eerst bereikt dat microtubules één voor één gestuurd kunnen worden. Een belangrijke stap was daarbij om het microtubule-transport in heel kleine afgesloten vloeistofkanaaltjes te laten plaatsvinden. Daardoor lukte het om een sterk elektrisch veld lokaal aan te brengen bij een Y-splitsing in de kanaaltjes. 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.

Sturen met elektrisch veld

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. De microtubules bewegen met 0,8 micrometer per seconde, zo langzaam dat de onderzoekers het elektrische veld met de hand konden besturen. “Net een oud Atari-spelletje”, lacht Cees Dekker.

Dekker is razend enthousiast over het resultaat van zijn groep. “Er zijn allerlei toepassingen te bedenken, zoals scheiden van moleculen – fantastisch als je één molecuul uit duizend anderen kunt pikken!” De microtubules die de Delftenaren nu van elkaar scheiden kunnen ook nog eens prima andere stoffen aan zich binden. In een ultrakleine machine zouden ze dienen als vrachtwagons op het interne transportnetwerk.

Naast technische zijn er ook toepassingen voor biologisch onderzoek. “We hebben al laten zien dat je de kinesine-motoren met een elektrisch veld kunt sturen. Nu willen we verder gaan: kun je ze ook stilzetten of langzaam laten bewegen? We willen weten hoe de verschillende voetjes waar een microtubule op rust bewegen, in de pas of los van elkaar. Dat leert ons weer iets over hoe de motortjes zich in levende cellen gedragen.”

Met hun aanpak van de nanokanalen slaan de onderzoekers 2 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 Delftenaren 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 elektrophoretische mobiliteit waargenomen werd.