Lezing: Moleculaire (bio)nanotechnologie

Lezing: Moleculaire (bio)nanotechnologie
Martin Bennink
Wetenschap en technologie op het niveau van atomen, enkele moleculen of structuren met dimensies tussen de 1 tot ca. 100 nm, is beter bekend als nanowetenschap of nanotechnologie. Nanowetenschap heeft als doel om op fundamenteel niveau verschijnselen en eigenschappen van
materialen te onderzoeken en deze vervolgens te begrijpen. Nanotechnologie, de logische volgende stap, heeft als doel om deze kennis te gebruiken om hiermee vervolgens nieuwe structuren
van nanometer afmetingen te creëren met compleet nieuwe eigenschappen en functies. Controle
over de eigenschappen op nanometer-schaal is een essentieel onderdeel van nanotechnologie.
Nano-objecten moeten op een directe wijze gedetecteerd, gemanipuleerd of gepositioneerd kunnen worden door middel van andere nano-objecten of een object van microscopische of zelfs macroscopische schaal.
De eerste, meest traditionele benadering van het creëren van nanostructures is door middel van
het miniaturiseren van grotere objecten. Deze benadering wordt ook wel "top-down" genoemd,
omdat men start met een materiaal van grote afmeting en deze vervolgens met een arsenaal aan
ets- en lithografische technieken voorziet van kleinere structuren. Deze benadering is het fundament van de microtechnologie: het maken van structuren op chip met micrometer afmetingen.
De applicaties van de microtechnologie zijn reeds duidelijk zichtbaar om ons heen (mobiele telefoon, gps, notebooks, memory-sticks etc.). Voor nanotechnologie is de gedachte om op dezelfde
wijze door gebruik van soortgelijke technieken nog kleinere structuren te maken die uiteindelijk
dimensies hebben van enkele nanometers. Echter, de beschikbare technieken laten dit niet zonder
meer toe. Bij optische lithografie bijvoorbeeld wordt gebruik gemaakt van een gefocusseerde
lichtbundel die lokaal in staat is om een lichtgevoelige laag te belichten. Diffractie maakt het
onmogelijk om licht sterker te focusseren dan tot een gebied van ca. 300 nm diameter en dit is
dan ook de dimensie van de kleinste structuur die geschreven kan worden. Recentelijk zijn er
10
1 mm
100
10
Natuurkunde
Electrotechniek
Top-down
- Lithografie
- Microtechnologie
- Ets technieken
- Sputteren van materiaal
1 µm
100
10
1 nm
1 Å
Figuur 1
Chemie
Biologie
Bottom-up
- Individuele moleculen
- Zelf-assemblage
- Zelf-organisatie
- Functies op moleculair niveau
Nanotechnologie: Top-down versus bottom-up benadering
verschillende verbeteringen aangebracht aan deze en ook andere gebruikte technieken om de limiet nog net iets verder te drukken, maar de kleinste structuur die routinematig geproduceerd kan
worden is ongeveer 100 nm.
Figuur 2
Vier opeenvolgende afbeeldingen van enkele DNA moleculen (lange ketens) en eiwitten (aangegeven met de
witte driehoek), gemaakt met behulp van een atomic force microscope (AFM). Tussen de beelden zit een tijd
van ca. 1 minuut. Het is duidelijk zichtbaar dat het eiwit ongeveer midden in het DNA molecuul bindt en vervolgens langs het DNA naar het uiteinde beweegt.
De tweede benadering is "bottom-up". Het startpunt hier is individuele moleculen die vervolgens
een grotere structuur kunnen vormen. Moleculen hebben typisch dimensies variërend van 0.1-1
nm voor organische moleculen tot 2-9 nm voor biologische macromoleculen, zoals bijvoorbeeld
eiwitten. Het proces dat in deze benadering gebruikt wordt is zelf-organisatie van enkele moleculen. Zelf-organisatie is zeker niet nieuw en is in de biologie een bekend verschijnsel. Op alle
niveaus van de biologie, van een eiwit dat op het DNA gebonden is om daar een reparatie uit te
voeren, de individuele cel tot het gehele organisme, zoals het menselijk lichaam zijn het gevolg
van de eigenschap van moleculen om zich te organiseren in grotere structuren. De structuur
waarin meerdere moleculen zichzelf gezamenlijk organiseren onder bepaalde condities ligt vast
in de structuur van de individuele moleculen. Op dit moment wordt er veel onderzoek verricht
om de krachten die dit "self-assembly" proces drijven volledig te begrijpen, om vervolgens hiermee nieuwe moleculen te synthetiseren die dan op een voorspelbare manier een supramoleculaire
structuur vormen. Een duidelijk voorbeeld hiervan zijn dendrimeren die in meerdere stappen opgebouwd worden door gebruik te maken van metaal-coördinatie. Bolvormige structuren met een
diameter van ca. 7 nm (MW = 24032) kunnen op deze wijze in grote getale reproduceerbaar gemaakt worden. Een tweede voorbeeld zijn amphiphilen, zoals de phospholipiden waaruit de celmembraan opgebouwd is. Het is bekend dat indien deze moleculen in een waterige oplossing
worden gebracht er supramoleculaire structuren, zoals vesicles en micellen ontstaan. De exacte
vorm en grootte van de structuren zijn afhankelijk van de individuele amphiphilische moleculen
en de condities waaronder ze bij elkaar gebracht worden.
Een essentieel onderdeel in deze "bottom-up" benadering is de ontwikkeling van technieken om
individuele moleculen te analyseren, manipuleren en te positioneren. De meest gebruikte techniek op dit moment is de atomic force microscope (AFM). Hierbij wordt met behulp van een tip
met een radius van ca. 20 nm een oppervlak nauwkeurig afgetast. Deze tip is bevestigd aan een
bladveer, waarvan de doorbuiging nauwkeurig kan worden gedetecteerd met behulp van een laserstraal. Indien de tip op het oppervlak een enkel molecuul tegenkomt, zal de bladveer doorbuigen en door de doorbuiging te koppelen aan de positie van de tip, kan een plaatje gemaakt worden, waarin individuele moleculen zichtbaar gemaakt kunnen worden. Binnen het MESA+ onderzoeksinstituut wordt deze techniek gebruikt om supramoleculaire structuren te bestuderen. Op
deze wijze kan op individueel molecuul niveau gekeken worden of de structuren goed gevormd
worden. De AFM wordt ook gebruikt om interacties tussen biologische macromoleculen te bestuderen. Zo wordt er gekeken op welke positie individuele eiwitten aan het DNA molecuul binden. Ook kan nauwkeurig worden vastgesteld of de binding van het eiwit een buiging in het
DNA molecuul veroorzaakt, wat belangrijk is in de bepaling van de structuur van dit complex.
Naast het aftasten van individuele moleculen kan de AFM ook gebruikt worden om krachten te
meten. Dit kan gebruikt worden om de kracht te bepalen die noodzakelijk is om twee interacte-
a
b
c
100
70
60
50
Force (pN)
Force (pN)
80
60
40
40
30
20
20
10
stretching
relaxing
0
5
10
15
20
Length (µm)
25
0
30
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Length (µm)
Figuur 3
a. Een enkel DNA molecuul is opgehangen tussen twee bolletjes van polystyrene (2.5 um diameter). De eerste
is vastgezet op de punt van een glaspipet en de tweede bol wordt vastgehouden in een optische trap (optical
tweezers), waarmee de kracht in het DNA molecuul gemeten kan worden. (b) Kracht versus lengte
karakteristiek van een enkel DNA molecuul. (c) Kracht versus extensie karakteristiek van een chromatine
fiber die opengetrokken wordt. De pijlen in de diagram geven aan waar de kracht in stappen omlaag valt, wat
overeenkomt met de opening van enkele nucleosomen (complex van DNA en compactie-eiwitten).
rende moleculen te scheiden. Hiertoe wordt een van de moleculen aan de tip gehecht, en de
tweede wordt op het oppervlak gezet. Door nu met de tip langzaam naar het oppervlak te bewegen wordt het mogelijk voor de twee moleculen om te complexeren. Als nu vervolgens de tip
weer van het oppervlak verwijderd wordt zal de tip doorbuigen totdat het complex uit elkaar valt.
De kracht die hier voor nodig was, kan nu nauwkeurig gemeten worden.
Andere technieken om enkele moleculen te detecteren zijn bijvoorbeeld confocale fluorescentie
microscopie. Het molecuul dat men poogt te bestuderen is voorzien van een fluorescente groep
zodat in de microscoop de positie van dit molecuul met een nauwkeurigheid van ca. 40 nm bepaald kan worden. Een variant hierop is nabije veld optische microscopie, waarbij een zeer kleine optische probe over het oppervlak wordt gescand (zoals met AFM), die alleen heel lokaal (20
nm) de fluorescente moleculen aanslaat en dus zichtbaar maakt. De resolutie van deze techniek
is vergelijkbaar met confocale fluorescentie microscopie, maar deze techniek is beter in staat om
meerdere fluorescente moleculen die dichter bij elkaar liggen te onderscheiden. "Optical tweezers" (OT) is een andere veelgebruikte techniek om krachten op enkele moleculen te meten.
Door middel van een gefocusseerde laserbundel is het mogelijk een polystyreen bolletje van ca. 2
micron vast te houden en krachten die hierop werken te meten. Binnen MESA+ wordt een enkel
DNA molecuul van circa 16 micrometer lengte opgespannen tussen 2 bolletjes. Door nu de bolletjes uit elkaar te bewegen en tegelijkertijd de kracht te meten die op het getrapte bolletje werkt,
kunnen elastische en mechanische eigenschappen van enkele DNA moleculen worden bepaald.
Op het moment wordt deze techniek gebruikt om volledige chromatine fibers (DNA met alle
compactie-eiwitten, zoals het voorkomt in de meeste cellen) uit te rekken. De krachten die gemeten worden geven informatie over de stabiliteit van de structuur.
Zoals in de bovenstaande paragrafen is beschreven is het merendeel van het lopende onderzoek
nog steeds nanowetenschap, waarin we op een fundamenteel niveau verschijnselen onderzoeken
met als doel deze te begrijpen. Het MESA+ onderzoeksinstituut wil in de toekomst voortbouwend op deze aanwezige expertise het veld van de (bio)nanotechnologie ingaan. Zijn we in staat
om een gering aantal moleculen in een nano-omgeving te plaatsen, die op deze wijze een functie
realiseren die meer is dan de simpele optelling van de individuele componenten? De strategie is
als volgt: allereerst kunnen we de door de natuur op moleculaire schaal te bestuderen talloze
voorbeelden van interacterende moleculaire systemen vinden die wellicht nuttig zijn. Belangrijk
hier is om deze systemen uit hun natuurlijke omgeving te isoleren, deze vervolgens in een nieuwe
omgeving te plaatsen en hun functie en activiteit te evalueren. Ten tweede kunnen we kijken
naar hoe bepaalde functies gerealiseerd zijn. Hierbij ligt het focus niet op de moleculen zelf,
maar veel meer op de mechanismen waarvan gebruikt gemaakt wordt. Deze kennis kan in een
volgende stap gebruikt worden om nieuwe moleculen te ontwerpen en te synthetiseren, die een
gespecificeerde functie hebben. De moleculen en systemen die hieruit voortkomen zullen verzameld worden in een (bio)nano-toolbox. Deze toolbox is essentieel voor het bouwen van nanodevices, en is op het moment slechts zeer schaars gevuld.
Het MESA+ onderzoeksinstituut stimuleert, intensiveert en coordineert samenwerking tussen de
verschillende disciplines technische natuurkunde, chemische technologie, moleculaire biologie.
Alleen met deze aanpak kan nanotechnologie leiden tot een succes.
Dr.Ir. M.L. Bennink
Program director
MESA+ Research Institute
Universiteit Twente
Postbus 217
7500 AE Enschede
T 053 489 5652
F 053 489 2575
E [email protected]