DNA als de ideale nanolijm

Plakken met DNA is reuze handig als je werkt met minuscule deeltjes. Mirjam Leunissen kan het.

De Nederlandse natuurkundige Mirjam Leunissen kan kunststofbolletjes met een doorsnede van een micrometer (eenduizendste millimeter) aan elkaar plakken met DNA. Met die nieuwe techniek kunnen in de toekomst wellicht micro- of nanometerdeeltjes aan elkaar worden geplakt om moleculaire structuren op maat te maken. Dat wil zeggen: structuren voor materialen met nieuwe mechanische, thermische, magnetische en optische eigenschappen. Voor in zonnecellen of beeldschermen wellicht. Maar met zulke mogelijke toepassingen houden Leunissen, postdoc aan de New York University, en haar collega’s zich nog totaal niet bezig. Het gaat hen om het ontwikkelen van de fundamentele eerste stappen van de techniek. (Nature Materials, 14 juni).

Op de bolletjes zit een soort klittenband van plakkerige eindjes, die bestaan uit enkelstrengs DNA: een keten van de vier DNA-baseparen A, C, G en T. Compleet DNA bestaat uit twee in elkaar gedraaide wenteltrapjes van enkelstrengs DNA, die chemisch precies bij elkaar passen: A klikt altijd aan een tegenover liggende T; C altijd aan G. Enkelstrengs-DNA heeft de eigenschap dat het gemakkelijk samen klikt met een complementair stukje enkelstrengs DNA.

Deze eigenschap kun je benutten door micro- of nanodeeltjes, voorzien van zo’n DNA-klittenband, in een vloeistof te stoppen. Vloeistofmoleculen botsen daarin willekeurig tegen de deeltjes aan, waardoor die allemaal een soort dronkenmanswandeling maken. Zo komen ze elkaar in verschillende rangschikkingen tegen, tot ze de meest stabiele vinden. Deeltjes met complementaire plakkerige eindjes die dan bij elkaar komen, plakken aan elkaar vast.

Leunissen: “De uitdaging is om de deeltjes zo te ontwerpen dat ze in de vloeistof vanzelf de gewenste structuur maken.” Die structuur wordt bepaald door de ‘aantrekkingskracht’ die de deeltjes op elkaar uitoefenen. “Je kunt de deeltjeswisselwerking beïnvloeden door te spelen met de vorm van de deeltjes, met hun elektrische lading, maar sinds een jaar of tien dus ook door DNA op de deeltjes aan te brengen.”

Het voordeel van de DNA-techniek, is dat je het grote aantal lettercombinaties van basevolgorden kunt benutten om sommige deeltjes wel, en andere niet aan elkaar te laten plakken. Ook geeft de techniek controle over de afstand tussen de deeltjes in het nieuwe materiaal. Zonder DNA raken de deeltjes hun buren. Met DNA kun je de dikte van het klittenband variëren, en daarmee de afstand tussen de deeltjes. Dat kan belangrijk zijn voor de uiteindelijke materiaaleigenschappen.

Uit praktische overwegingen zijn de experimenten opgezet voor temperaturen tussen de twintig en veertig graden Celsius. Tot nu toe was het probleem dat de bolletjes onder een bepaalde temperatuur allemaal aan elkaar plakten, en dat ze elkaar boven die temperatuur allemaal loslieten. Dat kwam doordat het oude ontwerp van het DNA-klittenband op een soort secondenlijm leek, waarbij de bolletjes meteen als ze elkaar tegenkwamen aan elkaar plakten. Onhandig, omdat je meestal maar een bepaald aantal deeltjes aan elkaar wilt laten plakken.

Leunissen heeft het ontwerp van de plakkerige eindjes nu zo aangepast dat de bolletjes bij een snelle temperatuurverlaging niet meer direct plakken. Het nieuwe ontwerp lijkt eerder op contactlijm, waarbij de deeltjes alleen aan elkaar plakken als je ze lang genoeg tegen elkaar drukt. Leunissen: “Onze truc is dat we de volgorde van de DNA-letters in de plakkerige eindjes zo hebben ontworpen, dat ze bij een snelle temperatuurverlaging ofwel tot een haarspeld opvouwen, ofwel vastplakken aan andere eindjes op hetzelfde bolletje, en zo een lus vormen. Als de bolletjes dan tegen elkaar botsen, is de contacttijd te kort om haarspelden of lussen los te maken. Zo kunnen we de bolletjes niet-plakkend maken op een moment dat de assemblage daar om vraagt. Alleen als je ze tussen vijf en tien minuten tegen elkaar drukt – en dat kan met laserlicht – worden de haarspelden en lussen losgeweekt, en plakken de bolletjes wel aan elkaar.”

Nu al kan deze techniek gebruikt worden om prototypen van nieuwe materialen te maken. Maar ook het langetermijndoel van de New Yorkse onderzoeksgroep komt zo dichterbij: het maken van een niet-biologisch materiaal dat zichzelf kan vermenigvuldigen. Het grote voordeel hiervan is dat een fabrikant slechts één keer een basisbouwsteen hoeft te maken.

In een simpel geval is die bouwsteen bijvoorbeeld een keten van bolletjes, zoals in het experiment van Leunissen. Vervolgens zoeken de in de vloeistof overgebleven bolletjes vanzelf de keten op via de plakkerige eindjes. Zo ontstaat een nieuwe keten die in eerste instantie aan het origineel vastgeplakt zit. Je kunt het systeem zo ontwerpen dat het daarna kopieën van de basisbouwsteen blijft maken.

In theorie werkt deze zelfvermenigvuldiging, vertelt Leunissen, maar in de praktijk tot nu toe blijft de eerste kopie plakken aan de originele bouwsteen. Ze is ervan overtuigd dat dit oplosbaar is, juist omdat de contactlijm in de verschillende stappen van het proces deeltjes al dan niet kan laten koppelen, of ontkoppelen. “Binnenkort gaan we uitzoeken of onze nanocontactlijm inderdaad helpt bij het maken van een zelfvermenigvuldigende structuur.”