1
Lessen van de 21ste eeuw
Bio-nanotechnologie: van eenvoudige enzymen tot complexe machines.
Yves Engelborghs
Bio-nanotechnologie is een nieuw domein dat zich afbakent binnen de wetenschap. Alles gebeurt op de nanometerschaal, dit is de schaal van de moleculen. Biolgische systemen worden natuurlijk al lang onderzocht en gemanipuleerd op moleculair niveau, en hetzelfde geldt voor moleculen b.v. afkomstig van de
farmaceutische industrie. Het nieuwe van de bionanotechnologie zit hem echter in het feit dat het werk, voor een stuk, zelf opgeknapt wordt op de nanometerschaal. Men kan individuele moleculen vastnemen, verplaatsen en bewerken. Een groot deel van de biotechnologie houdt zich bezig met de ontwikkeling van biosensoren. Dit zijn instrumenten (Engels devices), die de bedoeling hebben biologische moleculen
kwantitatief te detecteren en een signaal te geven aan de onderzoeker of de geneesheer. Hierbij gaat het meestal om de detectie van een molecule dat aangeeft dat er iets mis gaat, bv. de aanwezigheid van een antigen dat alleen gevormd wordt wanneer zich een tumor ontwikkelt. Zo’n sensor bestaat meestal uit een aantal moleculen (b.v. antilichamen) die het doelwit herkennen, en een toestel dat een signaal produceert wanneer de twee mekaar ontmoeten. Vele nieuwe nanopartikels worden ook als biosensor ontworpen. Zoals biosensoren gaan onze nieuwe (intelligente) nanopartikels de aanwezigheid van andere moleculen vaststellen, en daarop een gepaste reactie produceren. Deze kan bestaan uit het geven van een signaal naar buiten, of het vrijstellen van een chemisch of biologisch product ter plekke. Veel belangstelling wekken de zogenaamde Quantum-dots of Q-dots die een intens fluorescentie signaal produceren zijn. Dit zijn colloïdale partikels van Cadmiumsulfide kristallen (of andere halfgeleidende verbindingen), omringd met een inert laagje om het onschadelijk te maken en verder een derde laagje om de specificiteit te bepalen . Het grote voordeel van de Q-dot is de grote helderheid van het signaal. Ze kunnen gebruikt worden om 1-enkel molecule te localiseren en te volgen.
Nanopartikels worden ook ontworpen als transport systeem, waarbij
verschillende eigenschappen kunnen gemanipuleerd worden: hun doelgerichtheid, de grootte van hun lading en het moment en de snelheid van afgifte van hun lading. Daarbij wordt heel wat werk geleverd voor het maken van nanopartikels met een grote varieteit aan materialen. De beste materialen assembleren spontaan tot nanopartiles. Een mooi voorbeeld van een volledig autonoom werkend systeem op nanometerschaal en door mensen ontworpen, is de DNA-computer van de groep van Ehud Shapiro (Benenson et al., 2004). Het systeem detecteert de aanwezigheid van meerdere moleculen, en indien het antwoord positief is, levert het een zeker product af (sensor+effector).
Een voorbeeld van zelf-assemblerende systemen op basis van lipiden vinden we in het werk van Samuel I. Stupp (Hartgerink et al., 2002). Amfifiele moleculen met de vorm van een stukje taart, waarvan het bredere gedeelte hydrofiel (waterminnend) is en de smaller punt hydrofoob, assembleren spontaan in cylindrische structuren (micellen) die we hier peptide-nanovezels zullen noemen. In deze vezels zitten de peptiden dus dicht gestapeld aan het buitenoppervlak. Door het geladen karakter van de peptiden is
2 het mogelijk de zelf-assemblage te sturen via de zuurtegraag (pH) of het zoutgehalte van de oplossing. Door te spelen met de ketenlengte van de hydrofobe staart en de
aminozuursamenstelling van het peptide kunnen de eigenschappen van deze peptide-nanovezels gemanipuleerd worden. Bij lage zoutconcentraties vormen deze amfifiele moleculen een heldere oplossing, maar wanneer het zoutgehalte verhoogd worden
worden de nanovezels gevormd, kris-kras door mekaar, zodat een stevig netwerk ontstaat dat de uiterlijke vorm heeft van een gel. Wanneer een dergelijk gel gemaakt wordt in aanwezigheid van cellen, kunnen deze verder blijven leven en groeien. Door
signaalmoleculen in te bouwen in het oppervlak van deze nanovezels kan zelfs de groei van de cellen bevorderd worden (bv. herstel van beschadigingen in kraakbeen)
De natuur zelf zit natuurlijk vol van prachtige constructies op nanometerschaal die instaat zijn allerlei taken te vervullen, en bovendien het voordeel hebben dat ze op tijd en stond vervangen worden. Wellicht kunnen we dus wel wat inspiratie opdoen uit de studie van deze moleculaire machines. Bij het bestuderen van deze biomoleculaire
machines vallen twee aspekten op: ze ontstaan door zelf-assemblage en ze danken hun
bijzondere mogelijkheden aan het gebruik van een energiebron nl. ATP of een analoog ervan zoals GTP. Opvallend is dat ze allemaal kunnen beschouwd worden als varianten op het eenzelfde thema, nl. de werking van de enzymen.
We zullen hier verder uitwerken hoe enzymen geëvolueerd zijn tot schakelaars tot machines die mechanische verplaatsing kunnen produceren. Dit kan gebeuren via verschillende mechanismen. Een eenvoudig voorbeeld is polymerisatie van eiwitten zoals actine of tubuline. In deze polymeren wordt de hydrolyse van ATP of GTP gebruikt om te schakelen tussen een toestand die gemakkelijk polymeriseert (AAN) en een die niet of moeilijk polymeriseert (UIT) en het levert polymeren waarvan de polymerisatiegraad niet streng beheerst wordt door een evenwicht, maar sterk kan veranderen naargelang de behoefte van de cel. Een mooi vorbeeld is de bacterie listeria, die gebruik maakt van het cellulaire actine om zichzelf te laten voortbewegen! Er bestaan ook wat men noemt motorproteïnen. In onze spieren is dat het proteïne myosine, en in de cellen in het
algemeen is dat myosine, dyneine of kinesine. Dit laatste is een twee-voetig molecule, dat met zijn beide voeten over de microtubuli loopt. De verplaatsing van de motor op het spoor gebeurt opnieuw door een conformatieverandering gekoppeld aan de binding en de hydrolyse van GTP. De moderne nanotechnieken laten zelfs toe de kracht te meten die deze motoren ontwikkelen op het microtubule-oppervlak. In de bio-nanotechnologie worden dergelijke motorproteïnen gebruikt om schakelaars te bouwen.
Besluit
De bionanotechnologie is nog maar aan het begin van zijn ontwikkeling. In het voorgestelde sensor-effector scenario is er nog heel wat te verwezenlijken, vooral naar nanopartikels die een signaal produceren bij herkenning van meerdere doelwitten. De weg die ingeslagen wordt is duidelijk analoog aan de ontwikkeling van de computer, waar steeds kleinere transistoren toelaten een enorme aantal bewerkingen uit te voeren in het volume van een laptop of een zaktelefoon. Vooraleer we hier zover zijn is er echter nog een lange weg af te leggen.
-Benenson Y., Gil, B., Ben-Dor, U., Adar R., and Shapiro E. An autonomous molecular computer for logical control of gene expression. Nature (2004) 429, 423-429.
Hartgerink, J.D., Beniash, E., and Stupp, S.I. Peptide-amphiphile nanofibers: A versatile scaffold for the preparation of self-assembling materials. Proc. Natl. Acad. Sci (USA) (2002)99, 5133-5138.
3
Examenvragen
1) Werk een schakel van de biosensor-keten, naar eigen keuze, zelf dieper uit. Bedenk wat er allemaal bij komt kijken.
2) Bespreek hoe de hydrolyse van een molecule als ATP of GTP kan aanleiding geven tot de productie van beweging.
