Een DNA-molecuul past alleen in ontwarde vorm door een nanogaatje. (Illustratie: Tremani)
Met een gaatje van zo’n tien nanometer, een stel moleculen en een handjevol ionen, wist ir. Ralph Smeets de grootte en de lading van DNA-moleculen te meten. De techniek is veelbelovend voor goedkope DNA-chips.
SAAR SLEGERS
Dit artikel verscheen in TU Delta, jaargang 40, nummer 22.
Een membraan met daarin een heel klein gaatje, twee elektrodes en een zoutoplossing – meer is niet nodig om DNA-moleculen te detecteren en identificeren. Deze ‘supersimpele sensor’ ontwikkelde promovendus Ralph Smeets in samenwerking met zijn collega’s in de moleculaire biofysica aan de faculteit Technische Natuurwetenschappen.
De werking van de sensor is eenvoudig: ionen in een zoutoplossing geleiden de stroom tussen twee elektrodes, maar moeten daarvoor wel een gaatje van ongeveer tien nanometer (een honderdduizendste millimeter) passeren. DNA-moleculen, die aan de oplossing worden toegevoegd, worden aangetrokken door de positieve elektrode en zijn zo groot dat ze de ionenstroom tijdelijk blokkeren als ze zich door het nanogaatje bewegen. Hoe hoger de concentratie DNA-moleculen, hoe vaker zo’n verstopping optreedt. Uit de duur en de mate van de verstopping vallen zelfs de grootte en de lading van individuele moleculen af te leiden.
“Met deze gegevens kom je al een heel eind bij het identificeren van een DNA-molecuul”, vertelt Smeets, die donderdag 26 juni hoopt te promoveren. “Deze techniek kan verder ontwikkeld worden tot een relatief snelle en simpele methode om te screenen of je drager bent van een bepaald gen. Je zou dit systeempje op een wegwerpchip kunnen zetten, zodat mensen zichzelf kunnen screenen – handig met oog op de vergrijzing en de toenemende vraag naar zorg.” Smeets vermoedt dat zijn nanogaatje in de toekomst zelfs gebruikt kan worden om de basenvolgorde – de genetische letters – van DNA mee te bepalen.
Het idee achter de sensor is niet nieuw. Een vergelijkbaar systeem wordt al gebruikt in de Coulterteller. Deze grote broer van de nanosensor bevat een membraan met een gat dat in plaats van nanometers, micrometers groot is. Hierdoor kan de Coulterteller bloedcellen tellen.
Omdat de sensor uiteindelijk geschikt moet zijn voor productie op grote schaal, besteedde Smeets veel aandacht aan de haalbaarheid van fabricage van nanogaatjes. De gaatjes worden met behulp van een elektronenbundel ‘geboord’ in een membraan van siliciumnitride. “Tot nu toe werden voor onderzoek vooral biologische membranen gebruikt. Het probleem van biologische membranen is echter dat deze heel kwetsbaar zijn en dat het moeilijk is om gaatjes van variërende groottes te maken. Voor industriële toepassingen zijn vaste-stofmembranen een goed alternatief, omdat ze duurzamer zijn en gemakkelijker gevarieerd kan worden met de grootte van de gaatjes.”
Het nanogaatje waar Smeets’ onderzoek om draait is handig en interessant maar er is nog veel meer mogelijk. Smeets: “Het menselijk lichaam zit vol met nanogaatjes. Dynamische gaatjes met allerlei sensoren en met pompjes – daar kunnen wij nog heel wat van opsteken.”