Zijde in sensoren spinnen

Cocons van zijderupsen die per doos vol vanuit Japan naar een optisch laboratorium aan de Tufts University worden verscheept, zullen een ander lot ondergaan dan die welke naar textielfabrieken over de hele wereld worden vervoerd. In plaats van in gordijnen of kleding te worden geweven, worden de sterke eiwitvezels die rupsen ooit om zichzelf hebben gesponnen, gebruikt om optische materialen te bouwen die als basis kunnen dienen voor sensoren en andere apparaten. Bio-ingenieur Fiorenzo Omenetto, die de apparaten maakt, hoopt uiteindelijk implanteerbare, biologisch afbreekbare sensoren te bouwen die kunnen helpen bij het volgen van de voortgang van patiënten na een operatie of het volgen van chronische ziekten zoals diabetes.

Fiorenzo Omenetto op de trappen van het bio-engineeringgebouw van Tufts, waar hij optische apparaten van zijde maakt.

Omenetto realiseerde zich dat zijde goed was voor meer dan overhemden en stropdassen, zegt hij, toen hij in gesprek raakte met David Kaplan, het hoofd van de afdeling biomedische technologie van Tufts, met wie hij een gang deelt. Kaplan verandert zijde-eiwitten in celvriendelijke steigers voor de engineering van biologische weefsels, waaronder cornea-implantaten. De sterkste natuurlijke vezel die bekend is, zijde is favoriet bij weefselingenieurs omdat het mechanisch sterk is, maar onschadelijk in het lichaam degradeert.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van januari 2009

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Opgeleid als fysicus, bedacht Omenetto dat als zijde goede kunstmatige hoornvliezen zou maken, het ook goede optische apparaten zou kunnen zijn. Het blijkt dat, zegt hij, de zijden apparaten die hij maakt, net zo goed werken als die gemaakt van traditionele optische materialen zoals glas en plastic - in sommige gevallen zelfs nog beter. En in tegenstelling tot die materialen hoeft zijde niet bij hoge temperaturen of met agressieve chemicaliën te worden verwerkt.

Dat is een van de redenen waarom zijde zo goed geschikt is voor gebruik in biosensoren: omdat zijde-apparaten in een zachte omgeving kunnen worden vervaardigd, is het mogelijk om er extra biologische moleculen (zoals eiwitten) in op te nemen terwijl ze worden gebouwd. Deze moleculen dienen als sensoren die, eenmaal geïntegreerd in de zijden apparaten, jarenlang actief kunnen blijven. In de apparaten die Omenetto en Kaplan ontwikkelen, binden eiwitten die zijn ingebed in het optische materiaal efficiënt aan een doelwit zoals zuurstof of een bacterieel eiwit; wanneer ze dat doen, verandert het licht dat door de sensor wordt uitgezonden van kleur.

Optisch recept
Het recept van Omenetto begint met cocons gesponnen door de zijderups Bombyx mori. Eerst, zegt hij, snij je de cocon door en verwijder je de worm - tot grote ergernis van veganisten. Senior onderzoekstechnicus Carmen Preda kookt vervolgens de cocons in een oplossing die het zout natriumcarbonaat bevat. Dit helpt bij het oplossen van sericine, een kleverig glycoproteïne dat de cocons bij elkaar houdt, maar bij mensen immuunreacties veroorzaakt. Nadat de zijdevezels zijn opgedroogd, worden ze opgelost in een oplossing van lithiumbromide. Als het afkoelt, gebruikt Preda een spuit om het in een dialysepatroon te laden. Ze zet dit in een beker water, die het zout eruit haalt.

Wat overblijft in de patroon is een heldere, stroperige oplossing van het gezuiverde eiwit zijde fibroïne. Preda haalt deze zijdesiroop met een spuit uit de patroon en laadt deze in een rij reageerbuisjes; dit is het uitgangsmateriaal voor de optische componenten van Omenetto. Als hij de componenten in een biosensor wil gebruiken, kan hij in dit stadium een ​​eiwit toevoegen dat zich richt op een bepaald molecuul, bijvoorbeeld zuurstofbindend hemoglobine. Je hebt deze mooie oplossing op waterbasis waar je alles in kunt mengen, zegt Omenetto.

Hemoglobine is een relatief stabiel eiwit, maar de zijdematerialen kunnen ook de activiteit van minder veerkrachtige eiwitten, zoals enzymen, behouden. Als testcase hebben de Tufts-onderzoekers zijdestructuren gemaakt die een vluchtig mierikswortelenzym bevatten dat peroxidase wordt genoemd; glucosesensoren kunnen hexokinase bevatten, een enzym dat zich aan de suiker bindt.

De mallen die worden gebruikt om de zijde-eiwitoplossing in optische apparaten te vormen, hebben een patroon met kenmerken op nanoschaal. Dergelijke fijne details zijn belangrijk in de optica, omdat licht het beste samenwerkt met kenmerken op een schaal die niet groter is dan zijn eigen golflengte - ongeveer 400 tot 700 nanometer in het geval van zichtbaar licht. In het omgevingslicht van het laboratorium schijnen de nanopatronen van de plastic mallen zacht, als de binnenkant van een abalone-schaal.

Een apparaat dat de onderzoekers hebben gemaakt, is een hologram, waarmee wordt aangetoond dat zijde dezelfde veelzijdigheid heeft als andere optische materialen. Op de laboratoriumbank deponeert postdoc Jason Amsden met een pipet een zijden oplossing op een mal die is geëtst met het Tufts-logo. Hij laat de vorm ongeveer acht uur op kamertemperatuur op het aanrecht staan, lang genoeg om de eiwitten in een flexibel, onregelmatig ovaal te laten vastzetten en het logo in een driedimensionaal patroon van iriserende roze en blauwe tinten weer te geven.

In andere mallen in het lab zijn verschillende soorten optische apparaten al klaar met drogen. Amsden kiest er een uit en pelt deze voorzichtig met een pincet uit de mal. Het apparaat is een doorschijnende rode kaart geïmpregneerd met hemoglobine en voorzien van een patroon met verschillende optische elementen, waaronder een diffractierooster dat wit licht splitst in zijn samenstellende kleuren.

Zijde Sensoren
De kaart fungeert als een eenvoudige zuurstofsensor: het licht dat erdoorheen gaat, verandert enigszins van golflengte, afhankelijk van hoeveel zuurstof zich aan de ingebedde hemoglobine heeft gebonden. Deze veranderingen zijn niet met het blote oog te zien, maar kunnen worden gedetecteerd door een fotodiode, een chip die licht omzet in elektrische stroom. Wanneer er bijvoorbeeld een druppel zuurstofrijk bloed op de sensor wordt geplaatst, zuigt de hemoglobine er zuurstof uit en verschuift de golflengte van het door de fotodiode geregistreerde licht.

Zuurstof is slechts één mogelijk doelwit voor de apparaten van Omenetto. Roosters met daarin ingebedde antilichamen en enzymen kunnen zowat elk medisch interessant molecuul detecteren, of het nu glucose of een tumormarker is. En de Tufts-onderzoekers stellen zich niet alleen laboratoriumsensoren voor, maar implanteerbare. Eén toepassing die Omenetto heeft ontwikkeld, zal bijzonder belangrijk zijn: optische zijden vezels voor het transporteren van licht van het huidoppervlak naar de geïmplanteerde sensoren en terug, zodat het kan worden gelezen door een fotodetector. De sensoren kunnen worden geïmplanteerd tijdens operaties zoals tumorresecties en vervolgens worden gebruikt om patiënten te controleren op tekenen van infectie of terugkerende kanker. Omenetto en Kaplan hopen ook de sensoren te integreren in toekomstige weefseltechnologie-structuren die artsen zouden helpen om te volgen hoe goed nieuw weefsel in het lichaam wordt opgenomen. De apparaten zouden onschadelijk oplossen met de rest van de ondersteunende structuren van het weefsel.

Toekomstige sensoren, zegt Omenetto, zullen ontwerpen hebben die leiden tot meer dramatische kleurveranderingen wanneer de sensoren zich aan hun doelen binden. Om sensoren te maken die met het blote oog kunnen worden gelezen, liet hij zich inspireren door een ander insect, de morpho-vlinder. De glinsterende blauwe kleur is niet te wijten aan pigmenten, maar aan de manier waarop licht interageert met eiwitpilaren op nanoschaal op zijn vleugels. Door de structuur van de pilaren te veranderen, wordt de kleur geëlimineerd. Omenetto stelt zich een op zijde gebaseerde sensor voor met patronen op nanoschaal waardoor het blauw lijkt; een doelwitmolecuul dat zich bindt aan eiwitten in de sensor zou de nanostructuren subtiel veranderen, waardoor de kleur verandert of verdwijnt. Omenetto zegt dat de basistechnologieën om dit te doen aanwezig zijn; het is gewoon een kwestie van de juiste mallen ontwerpen.

zich verstoppen