Moleculen in de cel die mechanische krachten vanuit de omgeving kunnen ‘voelen’. Naar zulke sensoren doet Kerstin Blank van de Radboud Universiteit Nijmegen onderzoek. Welke vragen wil ze beantwoorden en met behulp van welke technieken? Kennislink was nieuwsgierig en bracht een bezoekje aan haar lab.
Het is een zonnige dag in september als ik op de deur klop van biochemicus Kerstin Blank. Ik ben in het Instituut voor Moleculen en Materialen van de Radboud Universiteit Nijmegen waar Blank leider is van een onderzoeksgroep. In haar onderzoek staan metingen aan individuele moleculen, met name enzymen, centraal. Voordat we een kijkje gaan namen in de laboratoria vertelt ze me eerst op haar werkkamer waar ze precies mee bezig is.
Mechanische krachten
“Over het algemeen heeft veel van ons onderzoek te maken met hoe mechanische krachten een effect hebben op de functie van cellen en moleculen”, gaat Blank van start. Veel cellen ‘voelen’ de mechanische informatie uit het ondersteunende materiaal dat de cellen omringt, de extracellulaire matrix, en zetten deze om in biochemische reacties.
Een hoop cellen trekken als het ware aan de omgeving waarin ze groeien. Zo proberen ze uit te vinden hoe stijf of elastisch deze is zodat ze daar bijvoorbeeld hun beweeglijkheid of stofwisseling op kunnen aanpassen. Daarnaast zijn cellen in staat zelf hun omgeving te veranderen door nieuw extracellulair materiaal te maken of door zelf kracht uit te oefenen op die omgeving.
Blank: “Het bekendste voorbeeld waarin mechanische eigenschappen de cel beïnvloeden, en waar veel mensen aan werken, is bij de uitgroei van stamcellen tot gespecialiseerde celtypen.” Stamcellen zijn erg gevoelig voor onder andere de stijfheid van de omgeving waarin ze zitten. Zulke mechanische eigenschappen zijn mede bepalend voor de eindbestemming van de stamcel.
Individuele moleculen
Over de moleculen in de cel die de mechanische signalen oppikken is nog weinig bekend. Blank: “Op het niveau van de cel komt er steeds meer informatie over mechanische krachten. Maar over het individuele molecuul is nog niet veel nagedacht. Wij willen begrijpen hoe zo’n molecuul werkt.”
Wel bekend is dat de moleculen die mechanische krachten kunnen voelen vaak hun vorm veranderen zodra er een mechanische kracht op staat. Als reactie daarop worden ze meer of minder actief. Dat leidt vervolgens weer tot stimulatie of juist tot remming van allerlei celprocessen. De onderzoeksgroep van Blank is voornamelijk geïnteresseerd in enzymen die, als reactie op mechanische krachten, hun activiteit veranderen. “In mijn onderzoeksgroep ontwikkelen we instrumenten en technieken om in detail te bekijken wat de invloed is van zulke krachten op de activiteit van enzymen”, aldus Blank.
Meetruimte
Dan is het tijd om een kijkje te gaan nemen in de ruimte waar de onderzoekers alle metingen verrichten. Het is een eindje lopen vanaf Blanks kamer naar het ‘meetlab’. Onderweg haalt ze natuurkundige Petri Turunen op. “Petri, net zoals in een petrischaaltje”, grapt Turunen. Hij is bezig met een promotie-onderzoek in Blanks groep en hij kan me van alles vertellen over de apparaten waarmee ze enzymen bestuderen.
Nadat Turunen de deur ontgrendelt met zijn pasje lopen we een donkere ruimte binnen met bakstenen muren. Zonder ramen. We zijn omgeven door snoeren, beeldschermen en lasermicroscopen. Het lijkt op het eerste oog meer op de werkruimte van een natuurkundige dan van een chemicus. Een witte labjas is ook niet nodig. Zijn er geen erlenmeyers, reageerbuizen, maatbekers en gasbranders? Blank: “We hebben wel een chemisch lab, maar daar maken we weinig gebruik van. Eigenlijk alleen om bijvoorbeeld een vloeistof te pakken om onze moleculen in op te lossen.”
Het chemisch lab van Kerstin Blank. “We maken er er eigenlijk alleen gebruik van om bijvoorbeeld een vloeistof te pakken om onze moleculen in op te lossen.”
Mariska van SprundelTwee microscopen
Turunen leidt me naar een apparaat midden in de ruimte. Het is een atoomkrachtmicroscoop. Met deze microscoop kunnen de onderzoekers met een minuscuul haakje aan een enzym ‘trekken’ zodat het oprekt en van vorm verandert. “Dan volgen we de activiteit van het enzym nadat die kracht erop heeft gestaan”, aldus Turunen. Bovendien meten ze met de atoomkrachtmicroscoop ook hoe groot de kracht is waarbij het enzym van vorm verandert.
Vervolgens lopen we naar een apparaat in de hoek wat een confocale microscoop blijkt te zijn; een verfijnde vorm van een gewone lasermicroscoop. Turunen: “De enzymen plakken we aan een glazen oppervlak waardoor ze geen kant meer op kunnen. En aan het enzym koppelen we een chemische groep die licht adsorbeert.” Als de laser eroverheen schijnt wordt het fluorescentiesignaal opgevangen en tot een beeld gereconstrueerd.
Blank: “Zo weten we de enzymen te vinden. En in de volgende stap voegen we een substraat toe dat door de actie van het enzym omgezet wordt in een fluorescerend molecuul. Deze omzettingen volgen we in de tijd. We detecteren één voor één elk fluorescerend product en kunnen zo de activiteit van het enzym in de tijd volgen. Het onderzoek bestaat dus uit een combinatie van deze twee technieken: met de atoomkrachtmiscroscoop trekken we aan het enzym en met de confocale microscoop lezen we vervolgens de reactie van het enzym.”
De ruimte waar alle meetinstrumenten staan. Hier meten onderzoekers met behulp van laser- en atoomkrachtmicroscopen de activiteit van individuele enzymen.
Mariska van SprundelSynthetische krachtsensoren
Naast de natuurlijke krachtsensoren in de cel en hun omgeving, ontwerpt de onderzoeksgroep ook synthetische krachtsensoren. Daar zijn twee redenen voor. Ten eeste kunnen ze de kunstmatige sensoren gebruiken om meer te leren over hoe natuurlijke sensoren in elkaar zitten en welke concepten daaraan ten grondslag liggen. Ten tweede zijn kunstmatige krachtsensoren makkelijker te verwerken in een toepassing. “Natuurlijke krachtsensoren zijn waarschijnlijk te ingewikkeld en werken alleen in hun natuurlijke omgeving”, aldus Blank.
Zelfhelende materialen
We lopen weer terug naar Blanks werkkamer waar we nog even verder praten over haar werk. “Ik wil nu vooral een fundamenteel begrip krijgen van hoe moleculen die kracht waarnemen werken.” Maar toepassingen heeft ze ook al in gedachten. “Als je weet welke mechanische eigenschappen cellen nodig hebben, en met welke krachten ze te maken krijgen, dan kan je een synthetisch materiaal maken met deze eigenschappen dat in staat is een specifieke functie in cellen teweeg te brengen.”
Daarbij doelt Blank vooral op zelfhelende biomedische materialen voor in het lichaam. In de spieren zitten ook sensoren die mechanische krachten detecteren als een spier zich overstrekt. Daarop geeft de sensor een signaal af dat het herstel van de spierscheurtjes aanzwengelt. Een mechanisme wat vrij recent ontdekt is.
Zoiets zou je ook waar kunnen maken voor biomedische materialen door er krachtsensoren in te stoppen. Nu moet iemand met een implantaat of kunstmatig weefsel in het lichaam onder het mes om het materiaal te vervangen als het breekt. “De oplossing ligt in een materiaal dat rapporteert wanneer het kapot gaat en dat zichzelf zelfs kan repareren.”
Samenwerking
Ik heb een hoop nieuwe dingen gehoord vandaag. Mechanische krachten die op cellen werken is voor mij, als bioloog, toch vrij onbekend terrein. Blank vergeeft het me. “Mensen die normaal met cellen werken en een training in de biologie hebben gehad denken niet in termen van krachten. Dat is relatief vreemd voor hen. Natuurkundigen op hun beurt hebben vaak geen idee dat hun technieken ook werken in biologische toepassingen.”
Mechanische krachten zijn sowieso een relatief nieuw onderzoeksveld, volgens Blank. “De laatste vijf jaar gaan mensen zich er steeds meer mee bezig houden. “Er is samenwerking nodig van mensen met verschillende achtergronden. Vandaar dat we werken met biologen, scheikundigen en natuurkundigen. Hier brengen we alle expertisen samen.”