Je leest:

Eiwitten uit de printer

Eiwitten uit de printer

Auteur: | 30 november 2005

Bij het Leiden Institute of Chemistry (LIC) halen ze tegenwoordig eiwitten uit de printer. Dat wil zeggen; de modellen van die eiwitten. Sinds een maand of twee beschikt de onderzoeksgroep Biophysical Structural Chemistry over een bijzonder apparaat dat binnen enkele uren een computer-eiwitmodel tot driedimensionele realiteit maakt. De groep gebruikt de modellen in onderzoek en voorlichting. Samen met museum Naturalis werken de wetenschappers aan een project rond visualisatie van de cel.

De Leidse onderzoekers kochten als eerste in de Benelux de nieuwe Spectrum Z510 3D-kleurenprinter van het Amerikaanse bedrijf Z Corporation. Deze printer maakt geen eenvoudige, platte afdrukken op papier, maar bouwt met poeder en lijm modellen op. “Met dit apparaat kunnen we heel snel over fysieke eiwitmodellen beschikken die ons helpen structuren te doorgronden”, zegt onderzoeker dr. Ellen Thomassen. Zij kent geen andere Nederlandse onderzoeksgroep die op vergelijkbare wijze modellen produceert van eiwitten en andere grote moleculen.

Een geprint model van een eiwit. Beeld:Universiteit Leiden

De Leidse universiteit schaart zich met de aanschaf van de printer in een rijtje van gerenommeerde Amerikaanse onderzoeksinstituten als het Scripps Institute en Yale University. De aanschaf van zo’n zestigduizend euro werd gefinancierd in het kader van het door de Leidse universiteit geleide internationale Cyttron consortium, gericht op visualisatie van cellen tot op atomair niveau.

Thomassen zegt dat het onderzoek naar biofysische structuren er in zeker zin ‘reëler’ door wordt. ‘Als je een eiwitmodel echt in handen kunt nemen is het veel gemakkelijker om informatie over te dragen. Dat geldt voor onderzoekers onderling maar ook bij voorlichting aan studenten of het publiek.’

De Spectrum Z510 3D printer met enkele voorbeelden van geprinte modellen. Beeld: Z Corporation

Laagje voor laagje

De Z 510 lijkt op een kopieermachine of uit de kluiten gewassen laserprinter en in feite is het ook net zo’n soort ‘kantoormachine’. Stekker in het stopcontact, kabeltje naar de computer en met een paar muisklikken kan het apparaat aan het werk. Producent Z Corporation uit Burlington (Massachussetts) is gespecialiseerd in apparaten die driedimensionale structuren opbouwen uit poeder en bindmiddel. Het bedrijf doet dat met een variant op de inkjettechnologie van fabrikanten als Hewlett Packard. Het idee werd oorspronkelijk uitgewerkt bij het gerenommeerde Massachussetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge (vlakbij Boston), dat Z Corp. licenties verstrekte.

De technologie is gebaseerd op het stapelen van hele dunne laagjes. Waar een gewone printer vloeistof op papier aanbrengt spuiten de Z Corporation printers een soort lijm op een dun laagje poeder. En waar normaliter ieder A4tje de printer verlaat, blijven nu de geprinte poederlaagjes in de printer achter, zodat er keer op keer een nieuw laagje bovenop gelegd kan worden. Zo wordt laagje voor laagje de driedimensionale structuur opgebouwd. Na afloop wordt ongebruikt poeder verwijderd en het model nog eens extra verstevigd met lijm of kunsthars. De eigenschappen van het model hangen af van de poeder/lijm combinatie; door gebruik te maken van elastomere kunststoffen ontstaat een elastisch, vervormbaar materiaal dat bijzonder geschikt is voor de eiwitmodellen

Het apparaat kan zeer gedetailleerd printen: in het platte vlak is de resolutie 600 × 540 dpi. De gebruiker kan de dikte van de laagjes instellen van 0,08 mm tot 0,2 mm, afhankelijk van de behoefte aan detail. De Leidse onderzoekers gebruiken meestal de kleinste laagdikte en met een printsnelheid van minimaal twee lagen per minuut duurt het enkele uren voor een model klaar is. De maximale grootte van het model is daarbij 254 × 356 × 203 mm

New Orleans uit de printer! Het Amerikaanse leger gebruikte dit model bij de planning van reddingsoperaties na orkaan Katrina. Beeld: Z Corporation

Rapid Prototyping

De eiwitmodellering is een vrij recente toepassing van de printtechnologie. In de industrie wordt het 3D-printen al veel langer gebruikt voor het maken van modellen van prototypen, al dan niet op schaal. Een vliegtuigbouwer heeft op deze manier in een handomdraai een 3D-model van zijn nieuwste ontwerp, en een architect beschikt snel over een maquette. Onlangs bleek dat het Amerikaanse leger de technologie gebruikt om complete landschappen te modelleren. Bij reddingsoperaties in New Orleans werd een model van de stad geprint ter voorbereiding op reddingsoperaties.

Ook voor 1:1 modellen wordt de technologie veel gebruikt: de ontwerper van een nieuwe mobiele telefoon kan zijn klant bijvoorbeeld al in een heel vroeg stadium laten voelen hoe het mobieltje in de hand ligt. Ook allerlei technische aspecten laten zich met een ‘echt’ model veel sneller en beter evalueren dan aan de hand van een computerontwerp. Toepassing in de gezondheidszorg is ook denkbaar. Een chirurg kan bijvoorbeeld een 3D-model van een bot printen via een scan. Voor hij gaat opereren, kan hij dan een proefoperatie op het modelbot uitvoeren en bepalen hoe hij een schroef in een fractuur aan moet brengen.

Het 3D printen is een vorm van ‘rapid prototyping’, een techniek die ontwerpers al vroeg in het ontwerptraject (hier van een mobiele telefoon) een fysiek model levert. Daardoor kunnen technische- en gebruiksaspecten gemakkelijk beoordeeld en aangepast worden. Beeld: Z Corporation

Naturalis

Bij het Leiden Institute of Chemistry gaan onderzoekers de printer gebruiken om modellen te maken van eiwitten en andere grote moleculen. Als ze die in hun handen kunnen houden krijgen ze veel gemakkelijker een idee van de ruimtelijke structuur dan wanneer ze op een computerscherm moeten kijken. Speciale programma’s bieden de onderzoekers via 3-D brillen of ‘virtual reality’ technieken weliswaar de mogelijkheid tot ‘verdieping’ in de eiwitstructuur, maar dat blijft allemaal een beetje ‘nep’. Niet voor niets bouwen chemici al sinds jaar en dag moleculen na met behulp van ‘bouwdozen’ vol balletjes en staafjes. Bij complexe moleculen zoals eiwitten is dat een hels karwei. Vandaar dat er ook van andere onderzoeksgroepen veel belangstelling is voor de kunsten van de 3D-printer.

En wie even geduld heeft kan straks zelf de eiwitmodellen in handen hebben. Als alles volgens plan verloopt zijn over ongeveer een jaar geprinte eiwitmodellen te bekijken bij museum Naturalis in Leiden. Ellen Thomassen meldt dat de onderzoeksgroep participeert in de ontwikkeling van een tentoonstellingsonderdeel rond ‘visualisatie van de cel’. ‘Dankzij deze printer kunnen we celonderdelen als ribosomen letterlijk tastbaar maken voor een groot publiek’.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 30 november 2005

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.