Dat de groep van professor Cees Dekker goed is in het maken van kunstmatige nanogaatjes is inmiddels bekend. Bijna een jaar geleden maakten ze nanogaatjes in grafeen en eind vorig jaar lieten de onderzoekers zien dat je nanogaatjes kunt gebruiken om er DNA mee af te lezen.
Ditmaal heeft de Delftse groep, samen met collega’s van de Universiteit van Basel, de nanogaatjes gebruikt om piepkleine poriën in de wand van de celkern na te bootsen. En ook nu haalt de groep er een prestigieuze publicatie mee binnen in het vakblad Nature Nanotechnology.
Poortwachters
De gaatjes in de wand van de celkern moet je voorstellen als een soort poortwachters. Ze controleren welke stoffen de celkern in en uit gaan. Dat kunnen bijvoorbeeld eiwitten zijn, of RNA-moleculen. De gaatjes zijn gevuld met zogeheten transporteiwitten, spaghetti-achtige eiwitten die alleen stoffen door het kernmembraan heen sluizen die dat mogen. Maar hoe deze eiwitten dat precies doen, is erg onduidelijk. Of ze bijvoorbeeld open gaan of dat ze op de een of andere manier binden aan de moleculen, is helaas lastig om in levende cellen te bestuderen.
Vandaar de kunstmatige nanogaatjes, die de groep van Dekker heeft gemaakt. Deze gedragen zich op dezelfde manier als de natuurlijke variant en kunnen veel makkelijker bestudeerd worden.
De onderzoekers maakten met een elektronenmicroscoop de gaatjes in een dun en stevig membraan van siliciumnitride. De gaatjes zijn ongeveer 45 nanometer breed, zo’n duizend keer smaller dan een menselijke haar, dus onzichtbaar voor het blote oog. Deze gaatjes vulden ze met zuivere menselijke transporteiwitten (de spaghetti).
Het transport door de gaatjes maten ze in een elektrisch veld. Aan de hand van de elektrische spanning die verandert, konden de onderzoekers zien wat voor molecuul door het gaatje heen gaat.
Het werkt
Ze testten twee soorten eiwitten, waarvan in het menselijk lichaam de ene wél het nanogaatje zou mogen passeren en de ander niet. De kunstmatige poortwachter liet het goede eiwit door en het andere eiwit tegen. Daarmee toonden de onderzoekers aan dat hun systeem hetzelfde selectieve gedrag vertoont als de natuurlijke variant. Kortom, het werkt. “De volgende stap is om naar interacties tussen meerdere transporteiwitten tegelijkertijd te kijken, zoals in het menselijk lichaam het geval is”, zegt Stefan Kowalczyk, de promovendus die het onderzoek uitvoerde. “Tot nu toe hebben wetenschappers alleen interacties tussen afzonderlijke eiwitten bestudeerd.”
“Verder hebben we nu alleen naar het transport naar binnen gekeken. We moeten ook nog kijken naar het uitgaande verkeer.” In eerste instantie is het fundamenteel onderzoek naar de werking van het transport in de celkern, maar wellicht biedt het systeem ook een nuttig testplatform om te onderzoeken of medicijnen de celkern in kunnen komen. Daar gaat binnenkort mogelijk een andere groep mee aan de slag.
Biomimetica
Bijzonder aan het onderzoek was volgens Kowalczyk de samenwerking tussen verschillende vakgebieden: natuurkunde, scheikunde en biologie. “Ik ben zelf natuurkundige”, zegt Kowalczyk. “De biologen uit Basel hebben de transporteiwitten voorbereid en naar ons opgestuurd. Vervolgens heb ik met chemici naar de beste manier gezocht om deze eiwitten in het gaatje vast te maken. Ze moeten namelijk stevig vast zitten.”
Het resultaat is een mooi voorbeeld van biomimetica: nieuwe technologie gebruiken om de natuur na te bootsen. Hadden onder andere gekkovoetjes, spinnendraad en lotusbloemen al een kunstmatige variant in de nanotechnologie, de poortwachters in de celkern kunnen nu aan dit rijtje toegevoegd worden.
Bron:
- S. Kowalczyk e.a., Single-molecule transport across an individual biomimetic nuclear pore complex, Nature Nanotechnology (19 juni 2011, online) DOI:10.1038/nnano.2011.88