De natuur zit vol met piepkleine motoren. In elke cel van je lichaam sjouwen eiwitmachientjes onvermoeibaar grondstoffen rond en kopiëren ze je DNA. Iets vergelijkbaars nabouwen uit eiwitten is decennialang een soort heilige graal geweest van de synthetische biologie. En nu is het voor het eerst gelukt.
Onderzoekers uit onder meer Australië, Duitsland, Groot-Brittannië en Zweden beschrijven hun apparaatje in het vakblad Nature Nanotechnology. Het gaat om een kunstmatige eiwitmotor die langs een spoor kan lopen. De onderzoekers kunnen zelf kiezen wanneer hij een stap zet en welke kant hij op gaat.
Levende cellen danken hun leven aan zulke moleculaire motoren. Bepaalde eiwitten zetten chemische energie om in beweging, met een efficiëntie en precisie waar onze verbrandingsmotoren niet aan kunnen tippen.
Er bestonden al kunstmatige machientjes gemaakt van kleine moleculen of van DNA. Maar geen daarvan haalde de snelheid en efficiëntie van de eiwitmotoren die de natuur gebruikt. Eiwitten volledig vanaf nul ontwerpen met de juiste beweeglijkheid bleek gewoon te ingewikkeld.
De onderzoekers kozen daarom voor een soort omweg. In plaats van alles zelf uit te vinden, kozen ze verschillende bestaande eiwitonderdelen en klikten die als legoblokjes aan elkaar.
Maak kennis met Tumbleweed
Het machientje, Tumbleweed genaamd, heeft drie ‘poten’, elk met een eigen voetje dat zich aan het DNA kan vastklampen. Die voetjes zijn afkomstig van zogeheten repressor-eiwitten. Dat zijn moleculen die in bacteriën normaal gesproken genen aan- en uitzetten. Elk voetje grijpt het DNA alleen vast als er een bijpassende hulpstof in de buurt is.
Voetje één zoekt naar tryptofaan (een aminozuur), voetje twee naar kobalt en voetje drie naar SAM (een alledaags celmolecuul). Dat verschil per voetje is wat de motor stuurbaar maakt.
Wil je niets van Scientias missen? Volg Scientias op Google Discover. Dan zie je al onze verhalen!
Lopen over een DNA-spoor
Het spoor waarover Tumbleweed loopt, is een aangepast stukje DNA met plekken waar elk voetje zich in een vaste volgorde aan kan vastklampen. De afstanden tussen die plekken zijn zo gekozen dat er telkens precies twee naburige voetjes tegelijk kunnen aanhaken en dat ze net ver genoeg uit elkaar liggen dat de motor niet overal blijft plakken.
Zo verplaatst de motor zich in stapjes van zo’n 16 nanometer. Dat is ongeveer een tienduizendste van de dikte van een mensenhaar. Door de volgorde van de hulpstoffen te veranderen, kunnen de onderzoekers de motor zelfs de andere kant op sturen.
Tumbleweed haalt energie uit het voortdurend wisselen van de hulpstoffen. Zit er genoeg van een stof in de buurt, dan haakt het bijbehorende voetje aan; verdwijnt de stof, dan laat het voetje weer los. Dat gestage komen en gaan levert precies genoeg drijvende kracht om de motor in één richting te duwen.
Hij struikelt nog wel
Perfect is Tumbleweed nog niet. In ongeveer een derde van de gevallen zet hij een misstap; hij grijpt dan naar de verkeerde plek en stapt over. En na een stuk of elf stappen laat hij meestal helemaal los van het spoor.
Dat is minder erg dan het klinkt. Ook de natuurlijke motoren in onze cellen struikelen af en toe en zolang de misstappen willekeurig alle kanten op gaan, blijft de motor gemiddeld toch de goede richting uit lopen.
De motor is voorlopig wel nog veel trager dan zijn biologische tegenhangers. Toch is dit een echte doorbraak, omdat het aantoont dat het überhaupt kan. Naarmate de techniek verfijnd wordt, kunnen we in de toekomst misschien wel nanomachines bouwen die stoffen zoals medicijnen gericht transporteren in het lichaam.
Wil je niets van Scientias missen? Voeg Scientias toe als voorkeursbron op Google. Dan zie je al onze verhalen!
Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast:
