Boeken

Wednesday, September 16, 2009

DNA als de ideale nanolijm

Dit artikel is verschenen in NRC Handelsblad, 15 augustus 2009

Plakken met DNA is reuze handig als je werkt met minuscule deeltjes. Mirjam Leunissen kan het.

De Nederlandse natuurkundige Mirjam Leunissen, postdoc aan de New York University, heeft samen met collega’s een soort nanocontactlijm ontworpen die meer controle levert over het aan elkaar plakken van micro- of nanometerdeeltjes (Nature Materials, 14 juni). Leunissen gebruikte kunststofbolletjes met een doorsnede van een micrometer (eenduizendste millimeter). Elk bolletje heeft op het oppervlak een soort klittenband van plakkerige eindjes, die bestaan uit enkelstrengs DNA: een keten van de vier DNA-baseparen A, C, G en T.

Compleet DNA bestaat uit twee in elkaar gedraaide wenteltrapjes van enkelstrengs DNA, die chemisch precies bij elkaar passen: A klikt altijd aan een tegenover liggende T, en C altijd aan G. Enkelstrengs-DNA heeft de eigenschap dat het gemakkelijk samen klikt met een complementair stukje enkelstrengs DNA. Deze eigenschap kun je benutten door micro- of nanodeeltjes, voorzien van zo’n DNA-klittenband, in een vloeistof te stoppen. Vloeistofmoleculen botsen dan willekeurig tegen de deeltjes aan, waardoor deze allemaal een soort dronkenmanswandeling gaan maken. Zo kunnen ze verschillende rangschikkingen uitproberen, tot ze de meest stabiele vinden. Deeltjes met complementaire plakkerige eindjes die dan bij elkaar komen, plakken aan elkaar.

Leunissen: “De uitdaging is om de deeltjes zo te ontwerpen dat ze in de vloeistof vanzelf de gewenste structuur gaan maken. De structuur wordt bepaald door wat de deeltjes van elkaar voelen. Je kunt de deeltjeswisselwerking beïnvloeden door te spelen met de vorm van de deeltjes, met hun elektrische lading, maar sinds een jaar of tien ook door DNA op de deeltjes aan te brengen.”

Het grote voordeel van de DNA-techniek, is dat je het grote aantal lettercombinaties van basevolgorden kunt benutten om sommige deeltjes wel, en andere niet aan elkaar te laten plakken. Ook geeft de techniek controle over de afstand tussen de deeltjes in het nieuwe materiaal. Zonder DNA raken de deeltjes hun buren. Met DNA kun je de dikte van het klittenband variëren, en daarmee de afstand tussen de deeltjes. Dat kan belangrijk zijn voor de uiteindelijke materiaaleigenschappen, vooral bij nanodeeltjes.

De onderzoekers richten zich in eerste instantie niet op een specifieke toepassing, maar vooral op het ontwikkelen van een nieuwe manipulatietechniek voor micro- en nanodeeltjes. Toch hopen ze ook dat deze experimenten leiden tot materialen met nieuwe mechanische, optische, elektrische of thermische eigenschappen.

Haarspelden
De experimenten zijn opgezet voor temperaturen tussen twintig en veertig graden Celsius, omdat dat het meest praktisch is. Tot nu toe was het probleem dat alle bolletjes onder een bepaalde temperatuur allemaal aan elkaar plakten, en boven die temperatuur allemaal loslieten. Dat is onhandig, omdat je meestal maar een bepaald aantal deeltjes aan elkaar wilt laten plakken. Het oude ontwerp van het DNA-klittenband lijkt op een soort secondelijm, waarbij de bolletjes meteen als ze elkaar tegenkomen aan elkaar plakken.

Leunissen heeft het ontwerp van de plakkerige eindjes zodanig aangepast dat de bolletjes bij een snelle temperatuurverlaging niet meer direct plakken. Het nieuwe ontwerp lijkt eerder op contactlijm, waarbij de deeltjes alleen aan elkaar plakken als je ze lang genoeg tegen elkaar drukt. Tot nu toe gebruikten onderzoekers plakkerige eindjes van zo’n tien willekeurige DNA-letters op een bolletje. Leunissen: “Onze truc is dat we de lettervolgorde in de plakkerige eindjes zo hebben ontworpen, dat ze bij een snelle temperatuurverlaging ofwel tot een haarspeld opvouwen, ofwel vastplakken aan andere eindjes op hetzelfde bolletje, en zo een lus vormen. Zo kunnen we de bolletjes niet-plakkend maken op een moment dat de assemblage daar om vraagt. Als de bolletjes na de temperatuurverlaging tegen elkaar botsen, is de contacttijd te kort om haarspelden of lussen los te maken. Alleen als je ze tussen vijf en tien minuten tegen elkaar drukt – en dat kan met laserlicht – worden de haarspelden en lussen losgeweekt, en plakken de bolletjes wel aan elkaar.”

Zelfvermenigvuldiging
Aan de ene kant kan deze techniek nu al gebruikt worden om prototypen van nieuwe materialen te maken. Aan de andere kant komt ook het langetermijndoel van de New Yorkse onderzoeksgroep dichterbij: het maken van een niet-biologisch materiaal dat zichzelf kan vermenigvuldigen. Het grote voordeel hiervan is dat de fabrikant alleen maar één keer een basisbouwsteen maakt. In het simpelste geval is die bouwsteen bijvoorbeeld een keten van bolletjes, zoals Leunissen in haar experimenten heeft gemaakt. Vervolgens zoeken de in de vloeistof overgebleven bolletjes vanzelf de keten op door de specifieke herkenning via de plakkerige eindjes. De nieuwe keten plakt in eerste instantie aan het origineel vast. Je kunt het systeem zo ontwerpen dat het vervolgens kopieën van de basisbouwsteen blijft maken.

In theorie werkt deze zelfvermenigvuldiging, vertelt de natuurkundige, maar in de praktijk tot nu toe blijft de eerste kopie plakken aan de originele bouwsteen. Leunissen is ervan overtuigd dat dit een oplosbaar probleem is. “We hebben tijd nodig om verschillende wegen uit te proberen. Binnenkort gaan we onderzoeken of onze nanocontactlijm helpt voor het maken van een zelfvermenigvuldigende structuur, wat we in theorie wel verwachten.” Zelfvermenigvuldiging is vooralsnog voorbehouden aan biologische systemen. De ontdekte nanocontactlijm brengt deze eigenschap ook voor niet-biologische systemen een stapje dichterbij.