Lumicks filmt dna-interacties op nanoniveau

Wat als je de complexe processen in een menselijke cel heel nauwkeurig zou kunnen volgen? Veel ziektes hebben hun oorsprong op moleculair niveau, maar om de mechanismes goed te kunnen ontleden, zijn geavanceerde meetsystemen nodig. De technologie daarvoor ontbrak lange tijd. Natuurlijk, met cryogene elektronenmicroscopie ben je een eind op weg, en ook met kernspinresonantie (mri-scanners) en röntgendiffractie breng je moleculen met heel hoge resolutie in beeld. ‘Maar dat zijn statische plaatjes’, zegt Mattijs de Groot, cto van VU-spinoff Lumicks. Verder zijn er methodes om dynamiek in de processen te vangen, maar daarbij gaat het altijd over gemiddelde waardes over meerdere moleculen. ‘Voor de ingewikkelde processen waarin biologen tegenwoordig zijn geïnteresseerd, volstaat dat niet. Het levert een bijna onoplosbare puzzel op.’

Onder leiding van de professoren Gijs Wuite en Erwin Peterman ontwikkelden wetenschappers van de Vrije Universiteit in Amsterdam een technologie waarmee ze op nanometerschaal filmpjes kunnen maken van moleculaire processen. ‘De opstellingen die daarvoor nodig zijn, waren allesbehalve gebruiksvriendelijk. Een bioloog rent gillend weg als hij zoiets ziet’, lacht De Groot. ‘Die wil alleen een vraag beantwoord hebben, en niet bezig zijn met de techniek en de setup.’ Een van de VU-aio’s, Andrea Candelli, ontving na zijn promotieonderzoek veel uitnodigingen van verschillende onderzoeksgroepen wereldwijd om zo’n opstelling te komen bouwen. De geboren Italiaan zag een businesscase en nam in 2014 het initiatief voor Lumicks.

Nog datzelfde jaar leverde de Amsterdamse startup een eerste prototype af. In 2015 gevolgd door een tweede generatie, de C-Trap. Daarmee kunnen biologen en biofysici filmpjes maken van de complexe processen in cellen. ‘Denk aan de interactie tussen dna en verschillende eiwitten’, vertelt De Groot. ‘Dat is enorm belangrijk bij bijvoorbeeld borstkankeronderzoek.’ Lumicks vond direct twee kopers: het Max Planck Instituut voor celbiologie en genetica in Dresden en Biocev, een gloednieuw biofysica-instituut in Praag. ‘Die eerste klanten kwamen natuurlijk met allerlei bijkomende wensen en eisen. Dat ging bijvoorbeeld over automatisering van het proces. We hadden dat toch al op de roadmap staan omdat we ons juist toeleggen op het gebruiksvriendelijk aanbieden van alle technieken.’

3 ångström

Het systeem van Lumicks is gebaseerd op drie technische pijlers: optische pincetten, confocale microscopie en microfluïdica. ‘Met een optisch pincet kun je één dna-streng vastpakken’, legt De Groot uit. ‘Dat doe je door een laserbundel sterk te focusseren in een oplossing met polymeerbolletjes. Die hebben de neiging om naar het focuspunt van de laser toe te bewegen. Als je zo’n bolletje hebt ingevangen, kun je het gebruiken als grijper om andere moleculen te manipuleren. Je kunt het bolletje voorzien van een coating met moleculen die plakken aan de uiteinden van het dna.’

Lumicks werkt met twee lasers waardoor de C-Trap het dna van twee kanten kan vastgrijpen. Als de streng eenmaal tussen die twee pincetten is opgespannen, kan het Amsterdamse systeem zeer nauwkeurig krachten registreren. Dat gebeurt met een positiegevoelige sensor. De polymeerbolletjes fungeren als lens voor de twee laserbundels. Als ze een klein stukje uit het lood worden getrokken, buigen de bundels anders af en dat wordt gedetecteerd door de sensor. Als een eiwit reageert met het opgespannen dna, verandert de veerconstante van de streng, wat resulteert in een andere afbuiging van het licht. De Groot: ‘We meten krachtveranderingen van minder dan 0,1 piconewton. De resolutie is daarmee beter dan drie ångström.’ Extreem nauwkeurig, maar het levert niet meer op dan een globale read-out. ‘Door de krachtverandering weet je dat er wat gebeurt, maar niet waar’, aldus De Groot.

Lumicks heeft dat opgelost met confocale microscopie. Daarbij wordt een derde laserbundel gebruikt die razendsnel langs de dna-streng scant. De eiwitten krijgen allemaal een fluorescerend rugzakje dat keurig oplicht als de laser voorbijkomt. ‘We tellen de fotonen die vrijkomen en zetten dat om in een filmpje’, legt De Groot uit. ‘Zo zie je welke eiwitten bij het proces zijn betrokken en hoe ze over de streng schuiven. De bewegingen die de eiwitten maken, leveren onderzoekers een schat aan informatie op over het lopende proces.’

De C-Trap is niet bedoeld om processen direct in de cel te filmen, maar om ze in een laboratorium in detail na te bootsen en te analyseren. Om die workflow in goede banen te leiden, gebruikt Lumicks microfluïdica. De VU-spinoff heeft een glazen chip ontwikkeld met vijf kanalen die door de laminaire stroming keurig naast elkaar lopen zonder dat ze fysiek gescheiden zijn. De chip wordt op een nauwkeurig beweegbare samplehouder geplaatst zodat de gebruiker kan navigeren tussen de verschillende kanalen. In het eerste kanaal stroomt de oplossing met de polymeerbolletjes. De Groot: ‘We bewegen de samplehouder zo dat de twee lasers twee bolletjes kunnen invangen.’ In het tweede kanaal zit het dna. ‘We houden de bolletjes goed in de gaten door te meten hoeveel kracht we erop uitoefenen. Op een gegeven moment zien we een piekje en dan weten we dat we een dna-streng hebben gevangen. Met het andere bolletje gaan we dan vissen, net zo lang totdat we zien dat ze gekoppeld zijn.’ In de volgende twee kanalen kunnen onderzoekers eiwitten toevoegen om ten slotte in het laatste kanaal het filmpje te schieten. Behalve bij de studie van dna-eiwitinteracties wordt de C-Trap gebruikt voor onderzoek aan veel andere biologische processen zoals bijvoorbeeld eiwitvouwing en de werking van motoreiwitten.

Piëzo

De eisen aan de nauwkeurigheid van de lasers liggen heel hoog. ‘We willen stapjes kunnen maken van minder dan een nanometer. Dat vertaalt zich in spiegels die met stapjes van twaalf nanoradialen moeten kunnen verdraaien’, weet De Groot. ‘We doen dat met ultraprecieze piëzotechnologie.’

De samplehouder met de microfluïdicachip beweegt op twee niveaus. Als hij onder de lasers door schuift naar het volgende kanaal, is een schaal in de orde van tientallen micrometer voldoende. Binnen zo’n kanaal gaat het om verplaatsingen op nanometerschaal. Lumicks heeft op de markt een standaard samplehouder gevonden die aan zijn wensen voldeed. ‘De eerste systemen hebben we gebouwd met zo veel mogelijk bestaande componenten zodat het risico klein bleef’, vertelt De Groot. Dat leverde natuurlijk wel hogere kosten op. ‘We zijn nu bezig om veel van die overgespecificeerde componenten te vervangen door – vaak zelfontwikkelde – componenten die precies doen wat wij nodig hebben.’ Zo sleutelt Lumicks aan een nieuwe samplehouder. Omdat dat vanzelfsprekend geen corebusiness is, werken de Amsterdammers samen met partners.

Ook voor de productie van zijn systemen heeft Lumicks een partner gevonden. Technobis uit Alkmaar is vanaf het begin bij het project betrokken en heeft dit jaar zes C-Trap-machines afgeleverd. ‘Volgend jaar verwachten we ergens tussen de tien en twintig systemen te verkopen’, schat De Groot. ‘Onze projectie is dat we dat aantal in de jaren daarna steeds kunnen verdubbelen.’