Piepkleine capsules houden hun adem in en stijgen op

Bewegen kan op allerlei manieren. In Nature Chemistry laten chemici zien dat vorming van een intern gasbelletje al genoeg is om microcapsules netjes te laten opstijgen. Ze zien mogelijkheden voor transport op heel kleine schaal.

30 augustus 2018

Laag cyanobacteriën, ook bekend als blauwalg, op een kanaal.
Lamiot via Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0

Lopen, glijden, vliegen, zwemmen – levende wezens hebben allerlei manieren ontwikkeld om zich te verplaatsen. Dat geldt ook voor het allerkleinste leven, de eencelligen zoals bacteriën. Zonder poten, vleugels of vinnen zijn zij toch heel goed in staat om richting voedsel- en energiebronnen te bewegen. De cyanobacteriën bijvoorbeeld produceren interne luchtbelletjes waardoor hun drijfvermogen toeneemt en ze naar boven drijven. Richting het licht, want dat gebruiken ze als energiebron. Aan het wateroppervlak kan de lucht ontsnappen, waardoor het drijfvermogen afneemt en ze weer naar beneden zakken.

Zo ontstaat een ritmisch proces van stijgende en zakkende cellen dat – ogenschijnlijk – heel eenvoudig is. Totdat je probeert het na te bootsen in een kunstmatig systeem van piepkleine microcapsules die als ‘cellen’ dienen. Dat ondervonden chemicus Stephen Mann en collega’s van de Universiteit van Bristol. Uiteindelijk lukte het met een opvallende combinatie van klei en DNA, zo beschrijven ze in het tijdschrift Nature Chemistry.

Celachtige structuren

Er zijn de afgelopen jaren talloze publicaties verschenen over allerlei soorten kleine druppeltjes, belletjes en capsules waarmee je eigenschappen van levende cellen kunt onderzoeken of nabootsen. Waarom was het nodig om nog weer een nieuw kunstmatig celletje te maken? “We hebben eerst de bekende mogelijkheden geprobeerd, maar daarmee lukte het niet”, antwoordt Stephen Mann. “Die waren te klein of niet sterk genoeg. We moesten een nieuw type capsule ontwikkelen dat groot genoeg is om een zuurstofbelletje te bevatten en een omhulsel heeft dat flexibel genoeg is om mee te rekken en te krimpen en de juiste doorlaatbaarheid heeft.”

Schematische weergave van de productie van de klei-DNA-capsules.
Kumar, Patil, Mann, Nature Chemistry 2018

In de nieuwe capsules fungeert het DNA als vulmiddel en de klei als het omhulsel. De genetische informatie die in DNA ligt opgeslagen wordt niet gebruikt, legt Mann uit. “We gebruiken het nu alleen als bouwmateriaal en daarvoor is het ook heel geschikt. We denken wel na over mogelijkheden om de informatie op het DNA te gebruiken, maar dat is alleen nog maar een idee.” Door een oplossing van DNA in water via een dunne injectiespuit als druppeltjes toe te voegen aan een suspensie (deeltjes vaste stof die rondzweven in een vloeistof) van heel kleine schilfertjes klei in water ontstaan celachtige structuren. De druppeltjes negatief geladen DNA, met daarin ook nog wat water, worden omhuld door de positief geladen schilfertjes klei. Zo krijg je capsules met een doorsnede van 300-400 micrometer (een micrometer is een duizendste millimeter). In een buisje levert dat een verzameling kleine capsules op die zich rustig op de bodem ophopen. Geen beweging te zien.

Maar aan de DNA-oplossing hadden Mann en collega’s ook een enzym toegevoegd om te zorgen voor een chemische reactie in de klei-DNA-capsules. Enzymen zorgen in levende cellen voor het versnellen van chemische reacties tussen verschillende stoffen – het zijn katalysatoren. In dit geval kozen de onderzoekers voor het enzym catalase, dat waterstofperoxide (H₂O₂) kan omzetten in water (H₂O) en zuurstof (O₂).

Zuurstofbel

Het catalase werd tegelijk met het DNA ingepakt tijdens de vorming van de capsules. Zodra de onderzoekers waterstofperoxide toevoegden aan het buisje met de capsules, kwam het catalase in actie. Waterstofperoxide is klein genoeg om door het kleiomhulsel te dringen, de cellen in. Daar werd het door catalase omgezet in water en zuurstof. Het zuurstof, een gas, hoopte zich op als een belletje in de capsules. Hierdoor nam het drijfvermogen toe en de capsules bewogen zich in een rechte lijn naar boven, waar ze zich allemaal verzamelden aan het oppervlak.

Die directe beweging is belangrijk. Er wordt door heel veel onderzoeksgroepen gewerkt aan dit soort kunstmatige, bewegende capsules geïnspireerd op levende cellen. NEMO Kennislink schreef al meerdere malen over ‘nanoraketten’ en ‘nanovaartuigen’ die zich zelfstandig kunnen verplaatsen. Die bewegingen zijn echter chaotisch, in de zin dat de cellen geen gericht traject afleggen, maar zich kriskras door een oplossing verplaatsen doordat ze een bepaald ‘spoor’ volgen dat door de oplossing is verspreid.

Links een schematische weergave van de microcapsules en de vorming van de zuurstofbelletjes. In het midden is te zien dat het enzym catalase, groen aangekleurd, zich overal in de capsules bevindt. In de zwart-wit opnames rechts is te zien hoe de capsules met daarin in het zwart de zuurstofbelletjes, naar boven bewegen.
Kumar, Patil, Mann, Nature Chemistry 2018

Mann en collega’s lukte het om de capsules een gericht traject af te laten leggen. Maar slechts in één richting, namelijk recht naar boven. Om de cellen weer te laten zakken, moet de zuurstofbel verdwijnen. Daar kun je weer een ander enzym voor inzetten dat juist zuurstof nodig heeft om iets anders te vormen. Daarom voegde het team in een tweede experiment niet alleen catalase toe aan de DNA-oplossing, maar ook het enzym glucose oxidase. Dit enzym laat zuurstof reageren met glucose (een suiker), waardoor onder meer waterstofperoxide wordt gevormd. Zo ontstaat een kringloop, waarbij het product van het ene enzym de ‘voeding’ voor het andere enzym is. En omgekeerd.

De onderzoekers brachten de capsules met daarin beide enzymen in een kolom die boven en onder was afgesloten met een membraan dat kleine stoffen doorlaat, maar grotere structuren, zoals de capsules, tegenhoudt. Aan de onderkant kwam de kolom uit in een oplossing waar steeds waterstofperoxide werd aangevoerd en aan de bovenkant stroomde er een oplossing met glucose langs. Onderin was er daarom relatief veel waterperoxide aanwezig, waardoor catalase volop zuurstof ging maken in de capsules die, net als in het eerste experiment, daardoor naar boven gingen. Maar bovenin de kolom was er naar verhouding veel meer glucose beschikbaar, waardoor het andere enzym, glucose oxidase, aan de slag kon. Dit enzym liet glucose reageren met de zuurstof uit interne belletjes die vervolgens krompen. De cellen verloren hun drijfvermogen en zakten naar de bodem, waar ze weer in contact kwamen met waterstofperoxide en het proces opnieuw kon beginnen. Een regelmatige op-en-neer beweging van de cellen was het resultaat.

Reacties op afstand

Dat is niet alleen leuk om naar te kijken, volgens Mann en collega’s kun je er ook gebruik van maken. Door de enzymen in de microcapsules af te stemmen op de stoffen die aanwezig zijn op de plaats van bestemming, kun je chemische reacties ‘op afstand’ laten plaatsvinden. Bijvoorbeeld op plaatsen waar je niet direct bij kunt, maar waar de capsules wel naartoe kunnen drijven. Ze demonstreren dat door de capsules op te laten stijgen naar een kleurloze gel, met daarin een stof die kan doordringen in de capsules. Deze stof wordt door een enzym omgezet in een andere stof met een roze kleur. Deze stof gaat vervolgens weer uit de capsule de oplossing in. Het resultaat is een kleurverandering in de omgeving.

Mann legt uit wat je hiermee zou kunnen doen. “Ons idee is dat je deze capsules kunt gebruiken om een andere chemische omgeving te bereiken, waar ze een bepaalde reactie uitvoeren die daar de omgeving verandert. Of die ervoor zorgt dat je een bepaalde lading daar kunt afgeven of oppikken. Doordat de capsules ook steeds terugkomen, krijg je een soort cellulaire logistieke operatie.” Of de klei-DNA-capsules daarvoor uiteindelijk het meest geschikt blijken, dat valt nog niet te zeggen. “Wij wilden onderzoeken of we kunstmatige cellen kunnen laten bewegen door hun drijfvermogen te variëren. En dat is gelukt.”

Bron:

B.V.V.S. Pavan Kumar, Avinash J. Patil, Stephen Mann, Enzyme-powered motility in buoyant organoclay/DNA protocells, Nature Chemistry 2018, doi:10.1038//s41557-018-0119-3

Reageer