Onderzoekers ontwikkelen unieke, kleine ‘molecule detectives’
Gaten prikken door membranen met atomaire nauwkeurigheid om 'moleculedetectives' in zakformaat te bouwen
19 juli 2024
Brussel 19/07/2024 – Brusselse en Amerikaanse onderzoekers zijn erin geslaagd om zelf nieuwe, artificiële nanoporiën te maken. Een team onder leiding van professor Anastassia Vorobieva (VIB-VUB Centrum voor Structurele Biologie) kon een blauwdruk ontwerpen op basis waarvan de onderzoeksgroep van de Amerikaanse professor David Baker zelf nanoporiën heeft ontwikkeld. Onder wetenschappers worden nanoporiën gezien als een cruciaal onderdeel van de analytische biologie. Dit onderzoek effent immers het pad voor het optimaliseren van verschillende soorten onderzoeksapparatuur.
Wat zijn nanoporiën?
Nanoporiën zijn minuscuul kleine openingen in een celmembraan, opgebouwd uit tunnel-vormende eiwitten. Door hun kleine opening en unieke vorm, kunnen er slechts specifieke moleculen doorheen de nanoporie migreren. Dit gebeurt via een verschil in elektrisch veld langs beide kanten van het membraan. Door elektrochemische veranderingen te meten wanneer een molecule door de porie migreert, kan bepaald worden om welk molecule het gaat. Zo kunnen nanoporiën gebruikt worden om DNA te lezen of om bepaalde moleculen in een cel op te sporen.
Hoewel het gebruik van nanoporiën een enorm potentieel heeft in de analytische biologie, zijn er grote uitdagingen. Het ontwikkelen van nieuwe poriën met nieuwe functies beperkt zich momenteel tot eiwitten die in de natuur voorkomen. Die eiwitten zijn vaak geëvolueerd om compleet andere functies uit te voeren dan wat de onderzoekers willen. Voor veel wetenschappers geldt het zelf kunnen ontwikkelen van nanoporiën als een van de belangrijkste en zelfs meest cruciale uitdagingen binnen de analytische biologie.
Zelf nanoporiën maken
Onderzoekers van het VIB-VUB Center voor Structurele Biologie onder leiding van professor Anastassia Vorobieva, samen met collega’s van de University of Washington School of Medicine, hebben nu met behulp van artificiële intelligentie zelf nanoporiën ontworpen. Meer bepaald tekende het labo van Prof. Anastassia Vorobieva de blauwdruk van de nanoporie uit. Op basis daarvan kon het labo van professor David Baker de nanoporie daadwerkelijk ontwikkelen en testen. Niet alleen konden de onderzoekers zelf de vorm, grootte, en geleiding van de porie bepalen, de metingen van de elektrochemische veranderingen was ook veel duidelijker met minder achtergrondruis. Dit opent de deur naar het ontwerpen van een hele reeks aan nieuwe nanoporiën voor allerlei toepassingen in de toekomst.
“Deze ontwikkeling zijn enorm opwindend. Toen we met het idee op de proppen kwamen om zelf nanoporiën te ontwikkelen dachten veel andere wetenschappers dat het onmogelijk zou zijn. Het ontwerpen en ontwikkelen van de onderdelen van zo’n nanoporie is namelijk bijzonder complex. We hebben nu toch het tegendeel kunnen bewijzen.” – Dr. Anastassia Vorobieva.
Molecule detectives
In een volgende stap werd getest of een zelfontworpen nanoporie in staat zou zijn om kleine celmolecules op te sporen. De mogelijkheid om zulke stoffen te detecteren kan bijvoorbeeld interessant zijn bij de diagnose van allerlei aandoeningen in patiënten waarvoor momenteel nog grote labo’s met hoogtechnologische opstellingen voor nodig zijn. Geen eenvoudige opgave, want de interacties tussen de verschillende onderdelen van zo’n opstelling zijn bijzonder complex. Toch zijn de onderzoekers erin geslaagd om een succesvolle nanoporie te ontwikkelen die zo een klein molecule kan detecteren. Deze resultaten zijn een belangrijke stap in de analytische biologie. In de verre toekomst hopen de wetenschappers dan ook dat hun nanoporie-onderzoek kan bijdragen tot de ontwikkeling van kleinere en toegankelijkere apparatuur voor de diagnose van ziekten.
Financiering en Samenwerkingen
De onderzoekspaper, “Sculpting conducting nanopore size and shape through de novo protein design,” verschijnt bij Science in de editie van 19 juli. Het onderzoeksteam omvat wetenschappers van het VIB-VUB Centrum voor Structurele Biologie, UW Medicine, University of Virginia School of Medicine, University of Leeds, en University of Basel. Computationele middelen en diensten die voor dit onderzoek warden gebruikt werden aangeleverd door het VSC (Vlaams Supercomputer Centrum), gefinancierd door het Fonds Wetenschappelijk Onderzoek (FWO) en de Vlaamse Overheid. Het onderzoeksteam werd gefinancierd via een FWO-EOS beurs.
Sculpting conducting nanopore size and shape through de novo protein design. Berhanu, Majumder, Müntener, Whitehouse, et al. Science, 2024.
DOI: 10.1126/science.adn3796
