Echo's en MRI op nanoschaal


Dr. Tjerk Oosterkamp:' Magnetic Resonance Force Microscopy, gebaseerd op kernspinresonantie, heeft nog nergens ter wereld tot plaatjes geleid. Er is ook nog geen enkele bioloog die ik ermee durf lastig te vallen.'
Oppervlaktefysicus Tjerk Oosterkamp van het Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde (LION) gaat de diepte in. Met twee nieuwe technieken voor de tastmicroscoop wil hij onder de oppervlakte van een preparaat kijken, en de structuur van de celkern of van een eiwit driedimensionaal in beeld brengen. Hij won hiervoor een Starting Grant van 1,8 miljoen euro van de gloednieuwe European Research Council.

Eiwitten aftasten
De biomedische wetenschap heeft een steeds grotere behoefte aan beeldmateriaal van biologisch materiaal op het niveau van cellen en eiwitten. Daar zijn verschillende technieken voor, zoals elektronenmicroscopie of röntgenkristallografie. Maar het specialisme van Oosterkamp is het ontwikkelen en gebruiken van zogenoemde tastmicroscopen om biologisch materiaal te bestuderen. Deze microscopen werken niet optisch, maar tasten met een minuscuul naaldje een oppervlak af op atomaire schaal, waarbij de krachten die de naald ondervindt met behulp van een laserstraal worden gemeten.

European Research Council

De European Research Council (ERC) bestaat in februari een jaar. De belangrijkste doelstelling ervan is het financieren van onderzoek dat is geëntameerd door toponderzoekers die tussen de twee en negen jaar geleden zijn gepromoveerd en in Europa werken of erheen komen. De Starting Grants, waarvan er in december 300 zijn toegekend, verspreid over 21 landen, geven onderzoekers de kans zich als zelfstandig onderzoeksleider te vestigen. De grants zijn voor vijf jaar. Voor deze eerste ronde werden meer dan 9000 aanvragen ingediend.

Website European Research Council

Professionele ondersteuning
Veel Leidse onderzoekers dienen subsidieaanvragen in bij de Europese Unie, niet alleen bij de European Research Council, maar ook in het kader van Marie Curie grants en van de vele andere Europese onderzoekprogramma's. LURIS, het universitaire steunpunt voor kennisvalorisatie, juridische ondersteuning en Europese zaken van de universiteit, biedt onderzoekers daarbij professionele ondersteuning aan.

Website LURIS

Inventief instrumentarium
Al bijna tien jaar is Oosterkamp bezig zijn speciale tastmicroscoop, de Atomic Force Microscope of AFM, stelselmatig te verfijnen en aan te passen. Hij kreeg er onder meer een Vidi-subsidie voor van NWO, en mede door hem beschikt de Leidse oppervlaktefysica nu over een uiterst inventief en geavanceerd instrumentarium, waar wereldwijd jaloers naar wordt gekeken. En nu dus de Starting Grant van de European Research Council. Oosterkamp is bij diverse biomedische projecten betrokken, bijvoorbeeld bij het kankeronderzoek in het LUMC. Ook doet hij mee aan een nieuw landelijk nano-imagingproject, waarvan prof.dr Joost Frenken, tastmicroscopenman voor de dode materie, wetenschappelijk directeur is.

Netwerk met kanaaltjes
Met zijn ERC-grant wil Oosterkamp naar eigen zeggen met de tastmicroscopie de derde dimensie in. Oosterkamp: 'Kenmerkend voor tastmicroscopen is dat ze een oppervlak aftasten. Maar ik wil daar juist graag onder kijken, en de structuur in beeld brengen van eiwitten of van de celkern.' Voor een eiwit is de structuur niet zomaar een dood raamwerk; het goed functioneren van een eiwit, bijvoorbeeld de mate waarin het aan andere eiwitten blijft plakken, hangt direct samen met de manier waarop het 'gevouwen' is. En de celkern is een ingewikkeld driedimensionaal netwerk met kanaaltjes en toegangspoorten, met goed verstopte en meer toegankelijke stukjes genoom.

Nano-echo's
Oosterkamps eerste nieuwe techniek om structuren onder het celoppervlak in beeld te brengen heet Ultrasound Force Microscopy, en maakt net als de ziekenhuisechoscopie gebruik van geluidsgolven met hoge (ultrasone) frequentie; Oosterkamp wil 'echo's' gaan maken van cellen. Van onderaf stuurt hij geluidsgolven door het celmateriaal dat hij wil bestuderen. Die weerkaatsen aan de structuren onder het oppervlak, waardoor de golven veranderen. Deze veranderingen in de golven worden opgevangen door het 'naaldje' van de tastmicroscoop. Hiermee maakt de onderzoeker een heleboel tweedimensionale 'landkaartjes' van zijn materiaal, die hij vervolgens omrekent naar een driedimensionale structuur. Oosterkamp verwacht dat de 3D-beelden tot 2 micrometer onder het oppervlak een resolutie zullen hebben van ongeveer 10 nanometer.

Relevant biologisch materiaal
Oosterkamp: 'Aan deze vorm van tastmicroscopie, die gebruik maakt van geluidsgolven, is al wel iets gedaan. Als je het materiaal een beetje indeukt, en er zit een hard stukje onder, dan kun je dat voelen met je naaldje, eigenlijk net als bij een knobbeltje in de borst. Dat is iets wat we verder willen ontwikkelen. We kunnen ook al snel met relevant biologisch materiaal aan het werk; een van de eerste experimenten ermee is op een celkern. Maar de tweede techniek, de Magnetic Resonance Force Microscopy, die gebaseerd is op kernspinresonantie, heeft nog nergens ter wereld tot plaatjes geleid, al wordt er wel hier en daar aan de techniek gewerkt. Er is ook nog geen enkele bioloog die ik met die NMR-variant van de tastmicroscoop durf lastig te vallen. Het zal me niet verbazen als het nog vijf tot tien jaar gaat duren voordat we complete plaatjes met atomaire resolutie van een eiwit kunnen gaan maken.'


Afbeelding van de toegang tot de celkern met nucleaire porie. Gemaakt door Oosterkamp en zijn groep met een tastmicroscoop. Schaal: 130*130*20nm

Foto: Maarten van Es, LION

Magneten en radiogolven
Met magnetische resonantie kan de protonendichtheid, en daarmee de structuur van vaste stoffen worden bepaald. Oosterkamp wil de techniek van kernspinresonantie (NMR) zo gaan verfijnen dat hij de protonendichtheid kan meten met een resolutie van 5 nanometer, en misschien zelfs wel met atomaire resolutie.

De methode maakt, evenals de 'gewone' ziekenhuis-MRI gebruik van het feit dat het lichaam vol zit met kleine magneetjes: de waterstofatomen. Wanneer de atomen een puls met radiogolven krijgen, kunnen ze rondjes gaan draaien. De basis van een MRI-scanner in een ziekenhuis is een heel sterke magneet, die ervoor zorgt dat wanneer radiogolven met een vaste frequentie worden gebruikt, alleen de waterstofatomen die zich in een bepaalde doorsnede van het lichaam bevinden hierop gaan reageren. Als die radiogolven stoppen, blijven de atomen nog een poosje zelf radiogolven uitzenden omdat ze blijven tollen. Die radiogolven kunnen worden opgevangen, wiskundig geanalyseerd, en in beeld omgezet.

Houten treintjes
Oosterkamp over zijn Magnetic Resonance Force Microscopy: 'Het begin is hetzelfde. Ook wij kijken naar de spin van de atoomkernen, de protonen. En ook wij gebruiken radiogolven om de kernen te laten rondtollen. Maar daarmee houdt de vergelijking op. We vangen namelijk vervolgens geen radiosignalen op, maar we willen de magnetische krachten voelen. Dat voelen doe je met een ander magneetje. Vergelijk het met die houten Brio-treintjes waarvan de wagonnetjes met magneetjes aan elkaar vast zitten. Alleen: er is nog nooit iemand geweest die de magnetische kracht van een enkel waterstofatoom heeft gevoeld. De magneetjes zijn zo klein dat je er met je andere magneetje heel dicht bij moet gaan zitten. En dat is toevallig wat ik goed kan: hele kleine magneetjes maken, nanobuisjes die ik aan de naald van een tastmicroscoop bevestig. Vervolgens meten we ultrakleine krachten, in de orde van grootte van 10-19 Newton. Dat levert allerlei uitdagingen op.'

Membraaneiwitten
Het is de bedoeling dat de nieuwe technieken op termijn in alle mogelijke vormen van moleculaire biologie ingezet kunnen worden. Oosterkamp: 'De röntgenkristallografie heeft er bijvoorbeeld voor gezorgd dat je de structuur van eiwitten in beeld kunt brengen. Je kunt dan zien hoe een molecuul in die structuur zou passen, zodat je medicijnen kunt maken die nog beter aan het eiwit binden. Maar er zijn ook eiwitten waarvan al wel de volgorde van aminozuren bekend is, maar niet de manier waarop ze gevouwen zijn. Dat geldt bijvoorbeeld voor allerlei membraaneiwitten op de hersencellen, die stofjes of signalen wel of niet binnen laten in de cel. En juist membraaneiwitten zijn heel lastig te kristalliseren. Daarvoor zouden mijn technieken een uitkomst zijn.'

Eiwit voor eiwit
'Het doel van mijn onderzoek is dat je uiteindelijk van ieder eiwit apart de structuur kunt bepalen, door het af te lezen met je naaldje, en te voelen waar alle kernspins zitten. Dat maakt de techniek heel breed toepasbaar. Voor de huidige technieken zijn veel en veel meer eiwitten nodig. De elektronenmicroscopie maakt foto's van duizenden eiwitten, en neemt daar een gemiddelde van. Voor röntgenkristallografie zijn miljarden eiwitten nodig om ze in een kristal te ordenen.'

Koud
Een nieuw aspect aan het werk met NMR is dat het bij heel lage temperaturen zal moeten gebeuren. Daar heeft Leiden een lange traditie in. Voor Oosterkamp is het een terugkeer naar het begin van zijn wetenschappelijke carriëre; zijn promotieonderzoek in Delft voltrok zich bij 10 millikelvin. Nu hoopt hij dat het hem zal lukken om het oppervlak kouder te maken dan 1 millikelvin. 'Deze subsidie stelt me in staat om naar mijn oude liefde terug te keren.'

Links

(8 januari 2008/HP)