Dna-origami is een ongeëvenaarde methode voor het met (vrijwel) atomaire precisie bouwen van structuren op nanometerschaal. Sabina Caneva combineert dit met werktuigbouwkundige principes en voegt zo mechanische vormverandering toe. Hiermee bouwt ze nano-bewegingsmechanismen en in grootte varieerbare nanoporiën voor betere detectie van biomoleculen.
Sabina Caneva verdiende haar sporen in de nanotechnologie met onderzoek naar tweedimensionale materialen en nanoporiën voor biodetectie. Een paar jaar geleden liep ze bij dat laatste tegen een limiet aan. “Met vaste stoffen kun je nanoporiën van elke gewenste grootte maken, maar ze zullen langzaam uithollen waardoor ze minder effectief zijn in het detecteren van biomoleculen,” zegt ze. “Nanoporiën gemaakt van eiwitten behouden wel hun uiterst precieze grootte, maar zijn typisch te smal voor het transport van macromoleculen – waaronder mogelijke geneesmiddelen.”
Ze besloot om ook een onderzoekslijn in dna-origami op te zetten, want dit bood tal van mogelijke oplossingen. “We wilden slimme nanoporiën maken met een hele precieze, en op enig moment aanpasbare, omvang,” zegt ze. “Daarmee kunnen de poriën ook op omvang moleculen onderscheiden. Dat is heel nuttig bij allerlei transport- en sorteertoepassingen, en onmogelijk om voor elkaar te krijgen met vaste stof materialen en eiwitten.”
DNA-origami
Dna-origami, geïntroduceerd in 2006, is een krachtige en innovatieve methode die de unieke eigenschappen van DNA gebruikt om heel precies nanoschaalstructuren te creëren. “De onderliggende technieken om elke willekeurige een-, twee- of driedimensionale vorm te kunnen maken zijn al lang bekend,” zegt Caneva. “Een recente doorbraak is het toevoegen van specifieke functionaliteit door er zeer precies nuttige componenten aan te bevestigen. Denk bijvoorbeeld aan nanodeeltjes, fluorescerende kleurstoffen, enzymen, of antilichamen voor moleculaire detectie.”
Een nieuwe insteek
Als universitair docent op de afdeling Precision and Microsystems Engineering heeft Caneva haar eigen groep met acht onderzoekers. Het bijzondere aan hun dna-origami onderzoek is dat ze mechanisch aanpasbare structuren maken, zoals de eerdergenoemde bewegingsmechanismen en poriën. Andere werktuigbouwkundige werkingsprincipes, zoals scharnieren, pincetten en rotoren, zijn ook mogelijk. Alhoewel geïnspireerd op alledaagse mechanieken, gedragen deze zich wel heel anders als ze eenmaal geminiaturiseerd zijn en zich in een vloeibare omgeving bevinden die gedomineerd wordt door de willekeurige beweging van moleculen.
Het vergt veel multidisciplinaire expertise om de structuren zowel stevigheid, flexibiliteit, als optische functionaliteit mee te geven
“Omdat de structuren zo klein zijn, willen we dat ze een bepaalde kleur licht uitzenden wanneer ze van vorm veranderen,” zegt Caneva. “Dit kunnen we dan met een microscoop monitoren. Het vergt veel multidisciplinaire expertise om de structuren zowel stevigheid, flexibiliteit, als optische functionaliteit mee te geven.” Ze heeft er dan ook bewust voor gekozen een optisch ingenieur, werktuigbouwkundig ingenieur, een nano-elektronica ingenieur, een materiaalwetenschapper, een natuurkundige en een fysisch chemicus in haar groep op te nemen.
“We brengen allemaal unieke kennis in. We leren van elkaar en ik denk dat dit zeker helpt bij het oplossen van de problemen waar we tegenaan lopen. Omgekeerd denk ik dat onze benadering, van dna-origami met werktuigbouwkundige aspecten, mijn groep interessant maakt voor onderzoekers. Hier kunnen ze innoveren op het snijvlak van meerdere disciplines, en zo aan iets geheel nieuws bijdragen.”
Celcommunicatie
Een briljante postdoc heeft de in grootte varieerbare nanoporiën al als proof of concept gerealiseerd. Uiteindelijk kunnen deze mogelijk worden ingezet voor de detectie en het transport van biomoleculen naar hun grootte, voor bijvoorbeeld gerichte medicijnafgifte. “We meten nu wat de poriën doorlaten als ze open of dicht zijn, of een grootte daar tussenin hebben. We willen ook strategieën ontwikkelen om dit omschakelen, dat nu nog enkele minuten duurt, te versnellen.”
De varieerbare nanoporiën zullen ook ingezet worden bij de enorme uitdaging om een synthetische cel te bouwen, een belangrijk onderzoeksthema aan de TU Delft. “Van de grond af opgebouwd uit allemaal dode moleculen moet de cel kunnen groeien, delen, de omgeving aftasten en zich daaraan aanpassen – allemaal fundamentele kenmerken van leven,” zegt Caneva. “We willen de nanoporiën inzetten als communicatiekanalen in de celwand. Ze moeten voedingsstoffen binnenlaten, afvalstoffen naar buiten laten, en signaalmoleculen doorlaten.”
Controle van de behandeling
De nano-bewegingsmechanismen (feitelijk: actuatoren , zie figuur) die de groep ontwikkelt moeten minieme hoeveelheden tumor-DNA in het bloed van kankerpatiënten kunnen detecteren. “De huidige technologie voor het monitoren van het effect van een kankerbehandeling is veel te duur om dit regelmatig te doen,” zegt ze. “Een medische stichting heeft me gevraagd een methode met hoge gevoeligheid en hoge doorvoersnelheid te ontwikkelen die zo betaalbaar is dat de controle maandelijks kan plaatsvinden. Met dna-origami kun je in een enkele reactie miljoenen actuatoren maken.”
Het werkingsprincipe is dat de actuator van vorm verandert zodra er een stukje tumor-DNA aan bindt. “We bevestigen fluorescerende componenten aan de actuatoren zodat we de minuscule vormverandering met behulp van licht kunnen meten. Qua gevoeligheid verwachten we een enkel dna-molecuul te kunnen detecteren.”
De optimale vorm van de actuator ligt nog open. Het zou een pincet kunnen zijn, een ‘X’, een trapezium – noem maar op, als het maar meerdere vormen kan aannemen. Caneva: “Dat maakt dna-origami zo leuk. Er zijn weinig beperkingen, je kunt vrijwel alles maken dat je maar wilt.”
De mechanisch aanpasbare DNA-origami nano-actuatoren zijn met fluorescerende componenten uitgerust. Daardoor kan met licht in de gaten worden gehouden of ze een bepaald molecuul hebben ingevangen. In dit geval is dat circulerend tumor DNA, ctDNA.
