Individuele moleculen onder de microscoop Understand article

Vertaald door Dave Lommen. Zou het niet fascinerend zijn om individuele moleculen te kunnen bekijken en manipuleren? Patrick Theer en Marlene Rau van het Europees Moleculair Biologie Laboratorium leggen uit hoe je dit met een atomic force microscope voor elkaar krijgt. En het is zelfs mogelijk…

Het idee om naar individuele moleculen te kijken houdt wetenschappers al meer dan honderd jaar bezig. Dit ambitieuze doel werd voor het eerst bereikt in 1981 met de ontdekking van de scanning tunneling microscope, wat in 1986 de Nobelprijs voor Natuurkunde opleverde voor Gerd Binnig en Heinrich Rohrer van het IBM Research Laboratory in Rüschlikon, Zwitserland^w1. Deze microscoop had echter flinke beperkingen: hij werkt alleen voor objecten die stroom begeleiden, waardoor veel (biomoleculaire) materialen niet bestudeerd konden worden. Binnig en zijn collega’s bleven zoeken naar betere oplossingen en presenteerden in 1986 de atomic force microscope (AFM), die voor zowel geleidende als niet-geleidende materialen gebruikt kan worden.

De werking van het instrument lijkt een beetje op die van een oude platenspeler, waarbij een scherpe naald een plaat van vinyl aftast om geluid te reproduceren (zie de figuur rechts). De AFM ‘voelt’de atomen meer dan dat hij ze ‘ziet’: de structuur van een oppervlak wordt afgetast met een zeer scherpe kegel (meestal gemaakt van silicium of siliciumnitride). Deze kegel zit vast aan een flexibele steun, die de kleinste details op het oppervlak kan volgen. Wanneer de punt, die uit een enkele atoom bestaat, dicht bij het oppervlak komt, wordt hij afgebogen door krachten tussen de twee. Dit kunnen allerlei soorten krachten zijn: mechanische, Vanderwaals, capillaire, chemische, elektrostatische, magnetische, Casimir of nog weer andere krachten, afhankelijk van het precieze materiaal.

Omdat de AFM deze verschillende krachten kan meten, is hij zeer veelzijdig, wat ertoe heeft geleid dat meer en meer wetenschappers het instrument zijn gaan gebruiken, met name in de materiaalwetenschappen en de biologie. De kracht die de afbuiging veroorzaakt is altijd miniem en evenredig met de afstand van de punt tot het oppervlak.

Hoe kan men deze minieme afbuigingen meten? De uitvinders gebruikten een slimme truc. Een laser schijnt op de top van de steun; vandaar wordt het laserlicht gereflecteerd naar een plaatsgevoelige lichtdetector. De verandering in de positie van de laserpunt op de detector (zie de figuur links, ∆H) als gevolg van een verbuiging van de steun (zie de figuur op pagina 61, ∆h) is evenredig met de afstand tussen de detector en de steun. Als de afstanden tussen de twee groot genoeg zijn, dan kunnen zelfs minieme afbuigingen gemeten worden. Dit maakt het mogelijk om de structuur van een oppervlak op atoomniveau te bestuderen.

De toepassingen van de AFM zijn schier eindeloos. We bekijken er hier slechts een paar. Oorspronkelijk was de AFM ontwikkeld om de structuur van oppervlakken in het kleinste detail te observeren en analyseren. Dit is niet alleen wetenschappelijk interessant, maar kan ook directe economische voordelen hebben: biofouling is de ongewenste vervuiling door micro-organismen, planten, algen en/of dieren (zoals slakvissen of rankpootkreeften) op natte oppervlakken. Op scheepsrompen kan een hoog niveau van vervuiling de waterweerstand verhogen en daardoor de benzinekosten flink opvoeren, daarnaast is het een probleem in membraan-bioreactoren, koelwatersystemen van energiecentrales en sommige olieleidingen. Wetenschappers gebruiken de AFM om het niveau van biofouling vast te stellen om zo yr bepalen welk materiaal het best bestand is tegen deze biofouling (Finlay et al., 2010).

Op eenzelfde wijze heeft de AFM toepassingen in de landbouw: ananas-planten hebben vaak last van een schimmelziekte, fusariosis genaamd. Wetenschappers vergeleken de oppervlaktestructuur van cellen van ananas-culturen die resistent zijn tegen deze ziekte met culturen die er gevoelig voor zijn en ze vonden dat ze verschillende mechanische eigenschappen hebben. Dit kan nu gebruikt worden om resistente culturen te selecteren en te verbeteren, zodat ze de benodigde mechanische eigenschappen hebben (de Farias Viégas Aquije et al., 2010).

Is oppervlaktestructuur ook relevant voor de gezondheid van mensen? Jawel: in de tandartspraktijk wordt vaak gebruik gemaakt van de AFM, bij voorbeeld om verschillende methoden voor het verwijderen van plak of verkleuringen te vergelijken, om de ruwheid van de oppervlakken van beugels te meten en hoe dit hun effectiviteit beïnvloedt, of om de mate van erosie van tandglazuur door zuren in limonate te kwantificeren en om te testen hoe doeltreffend verschillende tandpasta’s zijn in het herstel van deze schade (Kimyai et al., 2011; Lee et al., 2010; Poggio et al., 2010).

Een andere medische toepassing is de ontwikkeling van nieuwe biomaterialen in regeneratieve geneeskunde: hun oppervlakeigenschappen zoals ruwheid, oppervlakte-energie, oppervlakte-lading, chemische functionaliteit en samenstelling kunnen het gedrag van cellen waarmee ze in aanraking komen, beïnvloeden. Dus kan de AFM bijvoorbeeld gebruikt worden bij het ontwerp van biomaterialen die niet door het lichaam afgestoten worden en dus geschikt zijn voor medische implantaten zoals kunstmatige heupen (Al-Ahmad et al., 2010; Kolind et al., 2010; Padial-Molina et al., 2011).

Een ander groot toepassingsgebied van de AFM in de medische biologie is het misvouwen en samenstellen van eiwitten zoals α-synucleine, insuline, prionen, pancreashormoon en β-amyloide. Deze fenomenen zijn al sinds lang geassocieerd met degeneratieve ziekten zoals type II diabetes, Parkinson, BSE (‘gekke koeien-ziekte’), Huntington en Alzheimer. De AFM heeft hier al belangrijke informatie over de structuur op nanoschaal van deze aggregaten verschaft en men hoopt dat wetenschappers de AFM zullen kunnen gebruiken om te identificeren welke eiwitten misvouwen en hoe zij naastgelegen eitwitten stimuleren om deze onjuiste structuur te simuleren (Lyubchenko et al., 2010; voor een uitleg van het misvouwen van prionen, zie Tatalovic, 2010).

Andere biologische interacties die onderzocht zijn met de AFM omvatten hoe menselijke trophoblasten (deze cellen vormen de buitenste laag van een blastocyste, welke voedingsstoffen verschaft aan het embryo, en ontwikkelen zich tot een groot deel van de placenta) interageren met epitheliale cellen van de baarmoeder – de basis voor een succesvol embryo-implantaat (Thie et al., 1998).

Het was maar een kleine stap van de AFM als analytisch apparaat tot AFM als apparaat waarmee atomen, moleculen of andere nanoschaal-structuren beïnvloed kunnen worden. Men kan bijvoorbeeld de punt als een nano-pincet gebruiken, waarmee heel precies gebieden van het plasma-membraan van een cel onderzocht kunnen worden, individuele eiwitlussen kunnen aan de kant gelegd worden om de structuur binnen een eiwit bloot te leggen en losse moleculen kunnen worden uitgerekt tot nieuwe structuren om hun elasticiteit te bepalen.

De volgende grote stap is het gebruik van de AFM voor nano-chirurgie: het introduceren of extraheren van individuele moleculen uit het cytoplasma van individuele cellen, om cellulaire homeostase te onderzoeken of voor het afleveren van medicijnen op een specifieke plaats binnenin een cel (Lamontagne et al., 2008; Müller et al., 2006).

Aangepaste AFM-punten kunnen ook gebruikt worden als boor of als pen: nano-malen verwijdert materialen in de vorm van lange gekrulde schilfers (Gozen & Ozdoganlar, 2010), terwijl bij dip-pen nanolithografie moleculaire of vloeibare ‘inkt’ zeer precies wordt afgeleverd. In de chemie en de levenswetenschappen wordt deze technologie gebruikt om nanoschaal sensoren te produceren of bij het etsen van metallische, halfgeleidende en metaaloxide nanostructuren, functionele nanocircuits of nano-apparatuur (Basnar & Willner, 2009). Dit, samen met het gebruik van de AFM om nanometer-grote deeltjes naar een bepaalde plaats te duwen, moet de weg vrijmaken voor de miniaturisatie van elektronische circuits en andere structuren.

Ondanks de eindeloze hoeveelheid toepassingen – dit waren slechts enkele voorbeelden – zijn de mogelijkheden van de AFM nog niet uitgeput. Toekomstige trends omvatten geoptimaliseerde punten en combinaties met andere technieken, bij voorbeeld om tegelijkertijd de oppervlakte-structuur en fluorescentie of elektrische eigenschappen te bepalen (Müller et al., 2006). Snelheid is een ander punt: er is recentelijk een AFM ontwikkeld waarmee biologische processen zoals chromosoom-replicatie en -scheiding, phagocytose en eiwitsynthese in real time kunnen worden vastgelegd, wel 1000 maal sneller dan voorheen mogelijk was (Ando et al., 2008).

Ben je nu klaar om je eigen toepassingen voor de AFM te bedenken? Dan wil je misschien Philippe Jeanjacquots instructies^w2 om je eigen instrument op school te bouwen volgen. Het is een lang project, maar samen met zijn studenten is het Philippe gelukt om een redelijk goedkope AFM te bouwen. Er is slechts één belangrijke voorwaarde: je moet een trillingsvrije ruimte, bijvoorbeeld een stille kelder, hebben om het apparaat op te zetten. Als je die kunt vinden, dan ben je slechts beperkt door je enthousiasme en vernuft.