Radboud Universiteit Nijmegen
Virussen als reactorvat, mal en nanocontainer
Datum bericht: 19 augustus 2009
Kleine containertjes die door het lichaam kunnen reizen om een pakketje af te leveren horen tot de veelgenoemde beloften van de nanotechnologie. Het is zeker geen buitenissige gedachte: virussen doen niet anders. Binnenkomen, plaatsje zoeken, en de gastheer aan het werk zetten om je erfelijk materiaal af te lezen en te vermenigvuldigen.
Als virussen al zo goed zijn in deze klus, waarom zouden we dan nog synthetische bolletjes maken, was de gedachte bij het Institute for Molecules and Materials van de Radboud Universiteit Nijmegen. De chemici kozen om te beginnen voor een onschuldig plantenvirus, het erwten-mozaïekvirus. Ze deden vervolgens zulke verrassende ontdekkingen over de virusmantel zelf (de container dus) dat het lang duurde voor ze er überhaupt iets in gingen stoppen. Een interessante onderzoekslijn die inmiddels tot zeven publicaties heeft geleid en een proefschrift dat Friso Sikkema 21 augustus verdedigt. Kijk mee!
Links een elektronenmicroscoopfoto van het virus, rechts de kristalstructuur. De bolletjes zijn 28 nanometer groot, met een binnendiameter van 18 nanometer. Het is een icosaeder, een zeer regelmatige structuur van twaalf vijf- en twintig zeshoeken. Het bestaat uit 180 identieke eiwitstukjes met een massa van 20 kDalton.
De eerste zorg bij het werken met virussen is dat het erfelijk materiaal (RNA in dit geval) onschadelijk wordt gemaakt. Links volle virussen. De afbeelding rechts laat duidelijk zien dat het RNA effectief is verwijderd uit de bolletjes: ze zijn leeg. Het virus is eerst opgelost in loog, het RNA gebonden met calcium en vervolgens is het virus weer gereassembleerd. Dat gaat vanzelf als de oplossing zuurder wordt gemaakt.
Links een elektronenmicroscoopfoto van een open virusmantel. Rechts een tekening van de kristalstructuur. Het virus valt uit elkaar in een oplossing met een pH hoger dan 7,5. En het bouwt zich ook weer keurig op als de oplossing zuurder wordt gemaakt. Maar de zuurgraad bleek ook - letterlijk - de sleutel tot de container. Hier het virus bij pH 6,5: de virusmantel is open. De afbeelding hierboven, met gesloten mantel, laat de toestand zien bij pH 5. Een eenvoudige en doeltreffende manier om de inhoud van de container vrij te kunnen geven!
De onderzoekers waren benieuwd of het virus behalve RNA ook een synthetisch polymeer zou willen opsluiten. Dat lukte, maar tot hun volslagen verrassing werd het bolletje kleiner: het is opgebouwd uit 60 eiwitstukjes, heeft twaalf vijfvlakken, en meet 16 nanometer. (Org. Biomol. Chem. 5 (2007) 54-57)
Een kristalstructuur met in gele staafjes metaalbindende histidinegroepen.
Zijn er dan ook nog andere manieren om de vorm en afmeting van de bolletjes te beïnvloeden? Ja, ontdekten de onderzoekers. Ze 'monteerden' metaalbindende groepen aan de binnenkant van de virusmantel en lieten die binden met verschillende metalen. Dit is het resultaat:
De bovenste afbeelding laat een bolletje met rhodiummetaal zien (diameter 16 nanometer), de tweede heeft nikkel gebonden (diameter 22 nanometer) en de derde is de controle zonder metaal.
Nog een klein voorbeeld van het gebruik van deze virussen als reactorvat en mal. De onderzoekers slaagden erin goed gedefinieerde nanodeeltjes van de magnetische kleurstof Pruisisch blauw te maken, door de kleurstof in te sluiten in zich vormende virusmantels. De pakketjes organiseren zich vervolgens keurig in het gelid op een oppervlakte van grafiet of mica, waarna de virusmantels eenvoudig kunnen worden verwijderd. Hier een opname:
Samen met de groep van natuurkundige prof. Theo Rasing zijn de chemici bezig om de spins van de magnetische deeltjes in het virus te laten omklappen. Ze doen dat met circulair gepolariseerd licht. Bedoeling is nieuwe materialen te maken voor data-opslag, zoals op de harde schijf van een computer. Hiervoor is het een groot voordeel dat de virusdeeltjes zichzelf keurig ordenen. Ze kunnen vervolgens elk afzonderlijk met een laser worden afgetast, waarbij hun spin omhoog of omlaag kan worden gezet. Op deze manier denken de onderzoekers een veel grotere dataopslag te kunnen realiseren dan met bestaande magnetische materialen. (Chem. Comm. 13 (2008) 1542-1544)
Tot slot de belofte van de nanocontainer voor transport en gecontroleerde afgifte van medicijnen in het lichaam. Ook hier worden vorderingen geboekt: de onderzoekers zijn in staat om eiwitten heel gecontroleerd op te sluiten in het binnencompartiment van de virusdeeltjes. Ze doen dat door de wand van het virus en de eiwitmoleculen te voorzien van klittebandjes (de rode en de blauwe streepjes). Zo passen maximaal vijftien eiwitten keurig in de capsule. Ook enzymen kunnen worden ingesloten en door de truc met het openen en sluiten van de virusmantel aan het werk worden gezet. (Nature Nanotechnology, 2 (2007) 635-639)
Friso Sikkema promoveert 21 augustus op onderzoek met deze virussen. Zijn onderzoek is mede mogelijk gemaakt door NWO. Titel proefschrift: Organic and bioorganic biohybrid assemblies of the Cowpea Chlorotic Mottle Virus.
Eén van Sikkema's promoteres, Jeroen Cornelissen, ontving voor dit project in 2005 een Vidi-beurs van NWO aan de Radboud Universiteit en in 2007 een Euryi-subsidie van de European Science Foundation (ESF). Inmiddels is Cornelissen hoogleraar aan de Universiteit Twente. De andere promotor is prof. Roeland Nolte, hoogleraar Supramoleculaire chemie en directeur van het Institute for Molecules and Materials van de Radboud Universiteit.