Laser zet 'cellen' op hun plek

Stuiterballen

“Kunstmatige cellen gedragen zich meestal als stuiterballen die op elkaar botsen en weer van elkaar ketsen”, aldus Yuval Elani van Imperial College Londen. Zijn onderzoeksgroep publiceerde in Nature Communications een nieuwe methode om kunstmatige cellen samen te voegen tot grotere structuren. “Door de eigenschappen van de membranen aan te passen, konden we ze aan elkaar laten plakken, maar ook weer uit elkaar halen.” Elani vergelijkt de cellen met stickle bricks, de speelblokken voor jonge kinderen die we in Nederland kennen als ‘Nopper’ blokken.

De membranen van de kunstmatige cellen bestaan, net als die van levende cellen, uit een een zogeheten lipide bilaag. De bouwstenen van een bilaag zijn lipiden, ‘vettige’ moleculen met een ongeladen, hydrofobe (watermijdende) staart en een geladen, hydrofiele (waterminnende) kop. In een waterige omgeving zoeken de staarten elkaar op en steken de koppen juist zoveel mogelijk in het water, waardoor een bolvormig belletje ontstaat. Normaal gesproken stoten de geladen koppen in de membranen van dichtbij elkaar gelegen belletjes elkaar af.

Elani en collega’s voegden daarom zout toe aan de oplossing. Zout valt uiteen in positief en negatief geladen ionen. Die worden ook aangetrokken door de geladen koppen, waardoor de elektrostatische afstoting wordt geremd. De belletjes komen dichter bij elkaar. Zo dicht, dat de Van der Waals kracht het overneemt. Dit is een fundamentele, sterk aantrekkende kracht tussen moleculen die heel dicht bij elkaar komen. Het gevolg is dat de membranen aan elkaar plakken. Maar niet voor eeuwig, want zodra de onderzoekers de oplossing waarin de belletjes ronddobberen weer verdunnen en de zoutconcentratie dus afneemt, winnen de afstotende krachten en laten de membranen weer los.

Optisch pincet

Met deze aanpak is het mogelijk om te controleren of de membranen plakken of juist loslaten, maar je hebt geen controle over de vorm van de structuur als meerdere belletjes aan elkaar gaan plakken. Bovendien komen de belletjes niet vanzelf dicht genoeg bij elkaar. Om ook deze stappen te controleren, gebruikten de onderzoekers een optisch pincet. Dit is een techniek waarbij een heel sterk gefocuste laserstraal een kracht genereert waardoor heel kleine structuren of zelf losse moleculen ‘vastgehouden’ worden. De laserstraal kun je ook gebruiken om een molecuul een bepaalde kant op te duwen of te trekken. Of een complete kunstmatige cel, zo blijkt nu.

De onderzoekers slaagden erin om met een optisch pincet de belletjes heel precies aan elkaar te koppelen. Bijvoorbeeld in een rijtje, zodat een soort kralensnoer ontstaat. Of in een vierkant met daarop nog een belletje, waardoor een kleine pyramide ontstaat. Allerlei vormen zijn mogelijk en de belletjes blijven bovendien zo goed aan elkaar zitten, dat je met dezelfde laserstraal vervolgens het complete bouwwerkje ook kunt verplaatsen. En je kunt de belletjes ook een andere plak geven in het bouwwerk. Van een rijtje van vier ‘cellen’, maak je eenvoudig een vierkant door twee cellen een stukje te verplaatsen.

Groen licht

Een structuur bouwen is een start als je naar ‘weefsels’ wilt, maar dan moeten de cellen ook onderling stoffen uitwisselen en reacties uitvoeren. Elani en collega’s maakten belletjes met in de membraan speciale nanodeeltjes. Vervolgens stopten ze in een belletje de genetische informatie voor het maken van GFP, een groen oplichtend eiwit. In een ander belletje stopten ze de eiwitten die nodig zijn om de genetische informatie af te lezen en het GFP-eiwit te maken. De belletjes werden met het optisch pincet dicht bij elkaar gebracht zodat ze gingen plakken. De laserstraal activeerde vervolgens de nanodeeltjes die ervoor zorgden dat de plakkende delen langzaam uit elkaar vielen, waardoor de twee belletje fuseerden tot een groter belletje. Dat dit werkte, bleek toen het geheel felgroen licht ging uitzenden: het GFP-eiwit was dus gemaakt.

Natuurlijk klinkt het allemaal heel bewerkelijk en dat is het ook. De onderzoekers zijn gelukkig zelf heel nuchter in hun conclusies en benoemen uitgebreid alles wat ze graag nog willen verbeteren. Bijvoorbeeld het weer uit elkaar halen van plakkende cellen. Nu lukt dat alleen door de oplossing weer te verdunnen, zodat de zoutconcentratie daalt. Maar dan valt alles ongecontroleerd uiteen. Het zou mooi zijn als je het afbreken net zo precies kunt sturen als het opbouwen. Niet het bouwwerk in een keer slopen, maar gericht bepaalde cellen verwijderen.

Tegelijkertijd laat deze aanpak zien dat het mogelijk is om met kunstmatige cellen op een heel gecontroleerde manier een grotere structuur te bouwen, waarin cellen onderling ‘samenwerken’ om een bepaalde functie uit te voeren. De onderzoekers zien als eerste toepassing hiervan vooral mogelijkheden om de werking van echte levende weefsels en echte celmembranen verder te bestuderen door er kunstmatige modelsystemen van te maken. Zijn we toch weer terug bij de levende cel.