Wetenschappers lijken soms net kleine kinderen: ze spelen graag met bouwdozen. Zo ook de Britse onderzoekers die een nano-treinset ontwierpen. Met de losse bouwsteentjes lukte het om nano-treintjes op eigen kracht over een zelf aangelegd spoor te laten rijden. Het treintje vervoert nog lading ook.
Rails, een treintje en een lading voor het treintje. Het zijn stuk voor stuk onderdelen van de nano-treinset die wetenschappers van de Oxford Universiteit ontwierpen. Ze schreven er deze week over in de online editie van het tijdschrift Nature Nanotechnology.
Het is een bijzondere treinset. De losse onderdelen vormen namelijk een zelfstandig werkend systeempje waarin treintjes, in de vorm van motoreiwitten, aangestuurd door dna lading vervoeren. Het synthetische transportsysteem lijkt sterk op hoe motoreiwitten in onze cellen lading vervoeren.
Als spaken in een wiel
Inspiratie voor de bouwset van dit treintje kwam van de manier waarop vissen van kleur veranderen. Vissen hebben gespecialiseerde cellen waarin motoreiwitten pigment vervoeren over sporen die in één centraal punt uitmonden (zie afbeelding hiernaast). Zoals de spaken van een wiel ook allemaal in het midden uitkomen. Het vervoeren van pigment naar het centrum maakt de cellen lichter, omdat de omliggende ruimte leeg en transparant achterblijft. De cel zorgt er dus voor dat het pigment op één punt ophoopt of verspreid wordt.
Door deze gespecialiseerde cellen kunnen vissen van kleur veranderen.
Wegennetwerk
De onderzoekers bouwden een transportsysteem van DNA en een motoreiwit genaamd kinesine. In onze cellen vervoeren kinesines lading over een wegennetwerk van holle eiwitbuisjes, de microtubuli. Ze brachten een kleine verandering aan in het motoreiwit, waardoor specifieke stukjes DNA eraan binden. In de code van zo’n stukje DNA liggen instructies opgeslagen. Dus afhankelijk van het stukje DNA dat eraan hangt kon het motoreiwit een bepaalde taak uitvoeren. De energie voor dit systeem kwam van het natuurlijke energiemolecuul ATP.
Signaaltreintjes
Hoe werkt het? De Britten stuurden eerst motoreiwitten op pad die stukjes microtubuli-rails in een patroon legden, op de manier zoals spaken in een wiel steken. Daarna voegden ze motoreiwitten toe die lading transporteren over het net aangelegde spoor. De lading bestond in dit geval uit groen fluorescente moleculen, die onder de microscoop goed zichtbaar zijn.
Deze treintjes rijden over de rails en eindigen in het midden, waar alle sporen samenkomen. Zie het als een ‘hub’ waar de lading ophoopt. Vervolgens komen er signaaltreintjes die de ladingtreintjes vertellen hun lading los te laten. Het gevolg is dat de lading zich vanuit het midden verspreid naar buiten. Tot slot voegden ze treintjes toe die de instructie bij zich dragen het spoor weer op te breken.
Hier zie je hoe een motoreiwit in onze cellen over microtubuli loopt om zijn gigantische lading te vervoeren.
The inner life of a cell / Harvard UniversityProgrammeren met DNA
Een realistische toepassing voor dit systeempje op korte termijn is er niet direct. Het werk is nu vooral een bewijs dat DNA heel handig en bruikbaar is om motoreiwitten aan te sturen. Want het specifieke stukje DNA dat zich hecht aan een kinesine bepaald wat dit treintje gaat doen: het spoor van microtubuli in elkaar zetten, lading vervoeren, de lading loskoppelen of het spoor weer uit elkaar halen.
“DNA is een uitstekende bouwsteen om synthetische moleculaire systemen mee te maken, omdat we het kunnen programmeren om te doen wat we willen”, concludeerde onderzoeker Adam Wollman dan ook in de Britse kant The Guardian.