Hoe bouw je een kunstmatig membraan? Amerikaanse chemici bedachten een nieuwe methode waarbij ze de bouwstenen laagje voor laagje aanbrachten op een waterdruppel. Dat resulteerde in blaasjes omgeven door een dubbel membraan zoals de celkern dat ook heeft.
De cel zelf en veel van de machientjes binnenin zijn omgeven door een membraan.
Wikimedia CommonsKunstmatige celmembranen laagje voor laagje opbouwen uit hun bouwstenen. Het is een nieuwe manier om op een gecontroleerde manier synthetische celstructuren te maken. Dat schreven Amerikaanse onderzoekers van het Scripps Research Institute in Florida onlangs in het tijdschrift Nature Chemistry.
Membranen nabootsen
Cellen en veel van de orgaantjes in het binnenste van de cel zijn omgeven door een dun vliesje, het membraan. Dankzij het membraan kunnen de organellen, zoals die orgaantjes heten, ongestoord hun eigen werk doen. Ze zijn dan immers afgesloten van de rest van de cel. Hierdoor kunnen mitochondriën bijvoorbeeld energie maken, huisvest en verdubbelt de celkern het DNA en werkt het endoplasmatisch reticulum (ER) mee aan de eiwitsynthese en het verdere transport van eiwitten.
Lipiden bilaag
Membranen bestaan uit twee lagen vetachtige moleculen genaamd lipiden. Lipiden zetten zichzelf in water in elkaar tot deze bilaag doordat hun watervrezende staarten van water afdraaien en de waterminnende koppen naar het water toe willen. Het membraan wordt dus volledig bij elkaar gehouden door niet-covalente krachten. Dat betekent dat er dus geen chemische bindingen tussen individuele moleculen bij betrokken zijn.
Membranen zijn de grootste en ingewikkeldste structuren die cellen maken. Wetenschappers proberen deze structuren kunstmatig na te maken. Dat doen ze in de hoop de rol van membranen te begrijpen bij de tienduizenden biochemische reacties die in cellen plaatsvinden.
Verven met lipiden
Met de nieuwe techniek van de Amerikanen, waarbij moleculen op het oppervlak van een waterdruppel worden afgezet, lukt het nu vrij goed om een synthetisch membraan te maken. Ze gebruikten een apparaatje bestaande uit microscopisch kleine bekertjes. In elk bekertje ligt één waterdruppeltje gevangen, badend in olie met lipiden. Dit is de opstelling waarmee ze de druppel als het ware laagje voor laagje ‘verfden’ met lipiden.
Dat gaat als volgt. De lipiden uit de olie plakken met hun waterminnende koppen aan het oppervlak van de waterdruppel. Voilà, dat is de eerste laag. Vervolgens lieten ze water in het bekertje stromen net zolang totdat de olie vervangen was door water.
Het grensvlak van olie en water beweegt van boven naar beneden langs de stilliggende druppel. De druppel komt dus steeds meer onder water te staan. Daardoor raakt een steeds groter oppervlak bedekt met lipiden uit de olie die hun waterminnende koppen richting het water steken en zo een tweede laag vormen.
Computer-gestuurd
De zo ontstane bilaag van lipiden heeft de waterdruppel verandert in een blaasje. Door het proces te herhalen bleek het zelfs mogelijk nóg een bilaag op de druppel af te zetten. Het resultaat? Een blaasje met een dubbel membraan dat lijkt op het dubbele membraan dat de celkern omsluit.
Het apparaatje van de Amerikanen, waarin olie en water om de beurt het bekertje instromen, is volledig gestuurd door de computer. “Het grote voordeel van het maken van blaasjes op deze manier is dat ze erg uniform zijn, in tegenstelling tot de meer klassieke methodes om ze te maken”, zegt Tom de Greef, die soortgelijk onderzoek doet aan de Technische Universiteit Eindhoven. De weinige variatie tussen de blaasjes maakt het makkelijker ermee te werken.
“Wat heel nieuw is, is dat de auteurs laten zien dat ze meerlaagse blaasjes kunnen maken op een erg gecontroleerde manier. Dat was tot nu toe niet mogelijk in het lab”, vertelt de Greef. Hierdoor zal het in de toekomst mogelijk zijn om onderzoek te verrichten aan membraaneiwitten die alleen actief zijn in meerlaagse membranen. Zulke membraaneiwitten sluizen heel selectief moleculen de cel binnen; een proces wat tot nu toe slecht begrepen is. Maar volgens de Greef kan de techniek van de Amerikaanse onderzoekers helpen bij het zoeken naar de oplossing.