Je leest:

Laser zet ‘cellen’ op hun plek

Laser zet ‘cellen’ op hun plek

Kunstmatige cellen kunnen ook grotere structuren vormen en lading uitwisselen

Auteur: | 15 mei 2018

Weefsels en organen bestaan uit grote aantallen cellen die onderling samenwerken en aan elkaar zijn verbonden. Door zout toe te voegen en een laserstraal te gebruiken, lukt het Britse onderzoekers om ook kunstmatige cellen aan elkaar te plakken. Een kunstmatig weefsel is het nog lang niet, maar een eerste stap is gezet.

Biologen en artsen onderzoeken al een tijd het functioneren van levende cellen. Groei, ontwikkeling, ziekte, gezondheid, veroudering, sterfte – al deze processen spelen zich af op het niveau van de cel. Maar de cel wordt ook steeds meer een inspiratiebron voor het onderzoek naar nieuwe materialen en nieuwe productieprocessen.

De cel is de basiseenheid van leven. Alles wat leeft bestaat uit cellen die allemaal zelfredzaam zijn. Ze zorgen zelf voor hun energievoorziening, reparatiewerkzaamheden, voortplanting (de celdeling), afvalbeheer en alles wat verder nog nodig is om in leven te blijven.

Artificial cells laser beam nat comm
Kunstmatige cellen die zijn samengevoegd tot – heel eenvoudige – miniweefsels. De foto’s zijn aangekleurd om de cellen duidelijk zichtbaar te maken en de verschillende lagen te laten zien.

Tegelijkertijd werken cellen ook goed samen. Ons lichaam is daarvan een perfect voorbeeld. Wij bestaan uit biljoenen cellen, maar ons lichaam functioneert alleen maar doordat ze onderling samenwerken in grotere structuren, zoals weefsels en organen. Daarvoor moeten cellen met elkaar verbonden zijn, zodat ze signalen kunnen uitwisselen en samen als een groter geheel kunnen werken.

Trucjes imiteren

De combinatie van zelfstandig functioneren en samenwerken maakt levende cellen een aantrekkelijk voorbeeld voor het ontwikkelen van materialen die in staat zijn om zichzelf te vormen, te reageren op signalen uit de omgeving en zich aan te passen aan nieuwe omstandigheden. De zogeheten ‘slimme materialen’. Materiaalwetenschappers werken daarom aan allerlei kunstmatige varianten. Niet om een levende cel precies na te bootsen, maar om bepaalde trucjes van levende cellen te imiteren.

Het startpunt is meestal een zichzelf vormend belletje met een buitenlaag die lijkt op het membraan van een levende cel. Dergelijke belletjes zijn al vaak gemaakt en de meeste van deze kunstmatige cellen oefenen al een of meer functies uit. Zoals zich verplaatsen, een chemische reactie uitvoeren of signalen uit de omgeving opnemen en daarop reageren. Maar in al deze gevallen werken de kunstmatige cellen los van elkaar. Samenwerken is er nog niet bij.

Stickle bricks
Nopper blokken, ook bekend als ‘bristle blocks’ of ‘stickle bricks’

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.

Vorming van een grotere structuur door de belletjes met een optisch pincet aan elkaar te koppelen. Credits: Imperial College London.

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.

Twee cellen smelten samen tot een grotere cel. Credits: Imperial College London.

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.

Bron:

G. Bolognesi, M.S. Friddin, A. Saleni-Reyhani, N.E. Barlow, N.J. Brooks, O. Ces, Y. Elani, Sculpting and fusing biomimetic vesicle networks using optical tweezers, Nature Communications (2018), doi:10.1038/s41467-018-04282-w

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink, en hoort bij het thema Ziekten genezen op Biotechnologie.nl
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 15 mei 2018

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.