Molecuul stapt op de weegschaal

Molecuul stapt op de weegschaal

Hoe zwaar één molecuul is? Met een minuscuul weegschaaltje, ontworpen door Amerikaanse wetenschappers, is het gewicht van individuele moleculen nu één voor één te wegen. De toepassingen lijken breed: van het bestuderen van cellen tot het detecteren van ziektes.

Wetenschappers meten graag de massa van moleculen, om ze te identificeren. Dat helpt hen bij het identificeren van specifieke moleculen. De massaspectrometrie is hiervoor de gouden standaard. Bij deze methode krijgen moleculen via ionisatie een elektrische lading. De geladen moleculen worden vervolgens losgelaten in eenelektromagnetisch veld. Uit de mate waarop de baan van de moleculen afgebogen wordt, is de massa af te leiden. Voor kleine deeltjes werkt dat goed, maar voor biologische ‘megamoleculen’, zoals eiwitten en virussen een stuk minder doordat deze lastig elektrisch te laden zijn. Hun interactie met het elektrische veld is daardoor te zwak voor het verrichten van nauwkeurige metingen aan de moleculen.

Tijd dus voor een alternatieve weegschaal. Onderzoekers van het AmerikaanseCalifornia Institute of Technology maakten in samenwerking met het FranseCommissariaat voor Atoomenergie de eerste weegschaal ooit die de massa van kleine en grote individuele moleculen kan meten. De technologie staat beschreven in het tijdschrift Nature Nanotechnology.

Vibrerende balkjes

Het onderzoeksteam, onder leiding van Michael Roukes, werkte twaalf jaar lang aan hun nieuwe technologie. Een paar jaar terug experimenteerden ze al met kleine vibrerende balkjes van silicium – van een paar miljoenste meter groot – die net zoals een brug een tussenruimte overspanden. De brug werd aangedreven om naar de zijkanten te vibreren met miljoenen keren per seconde.

Blijft een molecuul plakken aan de brug, dan zal de brug door deze extra massa met een lagere frequentie gaan trillen. Door deze verandering in frequentie te meten, is de massa van het molecuul te achterhalen. Maar in theorie bleek het lastig. Het bleek dat de frequentieverandering niet alleen afhing van de massa van het molecuul, maar ook van de plek op de brug waar het molecuul belandt. Met andere woorden: een lichter molecuul dat in het midden landde kon dezelfde frequentieverandering geven als een zwaarder molecuul dat aan het uiteinde landde.

Twee frequenties

Daar is nu een oplossing voor bedacht, namelijk door de brug te laten schudden met twee verschillende frequenties tegelijkertijd. De wetenschappers lieten de brug vibreren met een lage frequentie waarbij de brug naar de zijkanten buigt, en bij een hogere frequentie waarbij de twee helften van de brug in tegengestelde richting bewegen.

Blijft een molecuul nu plakken, dan zal de frequentie van beide bewegingspatronen, in verschillende mate, lager worden. Door deze twee veranderingen in frequentie naast elkaar te leggen kan zowel de plek van het molecuul op de brug, als de massa afgeleid worden.

Werkte het weegschaaltje nu wel? Dat werd getest door immunoglobuline M te wegen: een type antilichaam gemaakt door de afweercellen in het bloed. Dit molecuul kan in ons lichaam verschillende vormen aannemen, en daardoor ook verschillende massa’s hebben. Maar met de weegschaal was aan de hand van de massa precies te achterhalen welke vorm immunoglobine M erop lag.

Immunoglobine M is een handig molecuul om de weegschaal mee uit te proberen, want voor dit molecuul zijn meteen medische toepassingen denkbaar. Een bepaalde verhouding van immunoglobine M-vormen in een bloedmonster is bijvoorbeeld een aanwijzing voor kanker van witte bloedcellen.

Massaproductie

Ook voor het celonderzoek van biologen is de weegschaal nuttig, denken de onderzoekers. Binnen in de cel is het een grote wirwar van eiwitten, elk met een specifieke taak die wordt bepaald door het soort molecuul dat er aan hangt. De weegschaal zou alle eiwitten kunnen identificeren.

Maar die toepassing is volgens John McLean, scheikundige bij de Universiteit van Nashville te ver gezocht, zegt hij in een online artikel van ScienceNOW. “De techniek meet alleen massa, maar identificeert een molecuul chemisch gezien niet.” Wel vindt hij de techniek ideaal om moleculen te bestuderen met een massa tien miljoen keer zo groot als die van een proton. Want dergelijke moleculen zijn te zwaar voor de gewone massaspectrometrie.

Aangezien de nieuwe weegschaal gemaakt is met standaardonderdelen en technieken, is het direct aantrekkelijk voor massaproductie. Een essentieel punt, want willen artsen en biologen het apparaatje op een dag gebruiken in hun werk, dan hebben ze honderden tot tienduizenden geschakelde bruggen nodig.

Bron:

M. S. Hanay e.a., Single-protein nanomechanical mass spectrometry in real time, Nature Nanotechnology, 26 augustus 2012 (online). doi:10.1038/nnano.2012.119

Dit nieuwsbericht verscheen 31 augustus 2012 op Kennislink

Reageer