Persbericht
’s Werelds kleinste sensor voelt de groeikracht van plant, dier of mens
Hoe maak je uiterst kleine krachten zichtbaar die samenhangen met processen in het lichaam, zoals de groei of ontwikkelingen binnen een embryo? Wageningse onderzoekers combineerden lasertechnologie met scheikundige kennis, experimenteerden en komen met een sensor bestaand uit één enkel molecuul, die honderden keer nauwkeuriger meet dan de bestaande instrumenten voor het meten van de minikrachten op het moleculaire vlak. De gemeten kracht in een molecuul verhoudt zich als de kracht van één zandkorrel die op de schouder van een mens drukt. Ze beschrijven hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift Chem van 18 januari.
De krachten die moleculen ervaren in cellen, maar ook in alle materialen om ons heen, zijn zo gering dat de bestaande meest nauwkeurige meetinstrumenten ze nauwelijks konden vaststellen: is er nu wel of geen kracht? “Tot nog toe, was alles zwart of wit, er was een kracht òf niet: Tussenkleuren konden de bestaande methoden niet vaststellen,” zegt Joris Sprakel, onderzoeksleider binnen het SprakelLab en de groep Fysische chemie en Zachte materie van Wageningen University & Research. “We hebben nu met drie jonge onderzoekers en een gevorderde student diverse vakgebieden bij elkaar gebracht. Zo kwamen we op het idee dat het theoretisch mogelijk moest zijn de krachten op moleculair niveau te meten door van het molecuul zelf een nano-meetinstrument te maken. We meten nu niet meer zwart of wit, maar, bij wijze van spreken, ‘vijftig tinten grijs’”.
Als een zandkorrel op een mens
Uitgedrukt in vaktermen bereikt de krachtensensor van 1 molecuul een resolutie van honderd femtoNewton. Dat is een kracht uitgeschreven als 0,000 000 000 000 1 Newton (1 Newton is ongeveer zoals een ons aanvoelt). “Maar een molecuul is ook ongelooflijk klein, ongeveer een nanometer, ofwel een miljoenste millimeter,” zegt Joris Sprakel. “Die kracht van honderd femtoNewton die op een molecuul van een nanometer drukt, is te vergelijken met de kracht die een zandkorrel uitoefent als die op de schouder van een mens ligt. En zulke kleine krachten kunnen we dus meten bij de verhoudingen die een biljoen keer kleiner zijn.”
Hoe het werkt
De nieuwe meetmethode maakt het mogelijk meer inzicht te krijgen in de krachten die op moleculair niveau in levende cellen van planten, dieren en de mens actief zijn. “Bijvoorbeeld in de embryonale ontwikkeling van plantencellen. We weten dat minuscule krachten bepalen wanneer een cel gaat delen en in welke richting. Uiteindelijk bepalen die mechanische prikkels dus hoe het planten embryo zich ontwikkelt; maar tot nog toe was dit onmeetbaar,” zegt Sprakel: “Tot nu toe hadden we geen directe toegang tot de fysische fenomenen op die schaal en als je het niet kan zien, is het nagenoeg onmogelijk om te begrijpen hoe dit het werkt. Als je de rol van de minikrachten in biologische processen kent, kan je op termijn wellicht begrijpen hoe je bepaalde ziektes door foutjes in die krachten van cellen, kunt bestrijden. Maar dat is nog toekomstmuziek; we hebben nu aangetoond hoe we dit soort ‘onmeetbare’ krachten wel kunnen meten. In mijn team zijn we nu druk bezig om deze aanpak los te laten op cellulaire processen.”
Molecuul als meetapparaat
Zulke fijngevoelige metingen op kleine schaal zijn niet mogelijk met een groot meetapparaat in een cel, zegt Joris Sprakel. De onderzoekers hebben daarom moleculen gemaakt die zelf als meetapparaat werken; elk van de moleculaire sensors die het team maakte werkt als een nano-krachtmetertje. Om het molecuul uit te lezen en de kracht te bepalen, schijnen de onderzoekers met een laser op één molecuul. Dit molecuul zendt dan licht terug van een andere kleur. Aan de kleur van dit licht kan het onderzoeksteam achterhalen wat de kracht is. De methode bestaat dus niet alleen uit een nieuw molecuul, of een nieuw instrument, maar juist de combinatie van beide.
“Daartoe was een sterk interdisciplinair team nodig”, zegt onderzoeker Sprakel. “Deze doorbraak is tot stand gekomen door een unieke samenwerking van vier jonge onderzoekers in mijn team, ieder met hun eigen expertise, waardoor we eindelijk deze lang gekoesterde droom konden verwezenlijken.”