Beerdiertjes hebben al heel wat meegemaakt. Zo hebben wetenschappers ze al eens ingevroren, de ruimte in geschoten en in een geladen geweer gestopt en afgevuurd. En daar blijft het niet bij, want onlangs hebben onderzoekers de arme organismen ook nog eens getatoeëerd.
Beerdiertjes zijn slechts een halve millimeter lang, maar onverwoestbaar gebleken. Zo hebben wetenschappers ze al eens volledig uit laten drogen, bevroren tot nabij het absolute nulpunt, verhit tot 148 graden Celsius en blootgesteld aan het vacuüm van de ruimte en een mate van straling die voor mensen dodelijk is. Maar de beerdiertjes gaven geen krimp en overleefden het allemaal. Zelfs experimenten waarin beerdiertjes in geladen geweren werden gestopt en met hoge snelheid werden afgevuurd – en ja, die hebben echt plaatsgevonden! – resulteerden niet in de dood van de kleine beestjes.
Tatoeage
En met dat onverwoestbare karakter hebben de beerdiertjes nu de aandacht getrokken van Chinese onderzoekers. Zij besloten vervolgens na te gaan of het schier onoverwinnelijke organisme ook het zetten van een soort tatoeage weer te boven kon komen. Hun bevindingen zijn terug te lezen in het blad Nano Letters en onthullen – jawel – dat beerdiertjes ook van het zetten van een tatoeage niet direct onder de indruk zijn.
Microfabricage
Het klinkt misschien als een ietwat lachwekkende onderzoeksvraag: kan een beerdiertje een tatoeage laten zetten en vrolijk voort leven? Maar dat is het zeer zeker niet. De betrokken wetenschappers houden zich namelijk bezig met microfabricage. Dit is een proces waarbij zeer kleine structuren – meestal op de schaal van micrometers of zelfs nanometers – worden gemaakt en dat bijvoorbeeld reeds heeft geleid tot de productie van microprocessoren en zonnecellen. Maar wetenschappers willen meer. Zo zouden ze bijvoorbeeld graag in staat zijn om micro- of nanosensoren direct op levend weefsel te printen, zo legt onderzoeker Ding Zhao aan Scientias.nl uit. “Microfabricage maakt het mogelijk om apparaten uiterst dicht op elkaar te integreren, binnen zeer beperkte ruimtes. Wanneer deze techniek wordt toegepast op levende organismen, minimaliseert dit de fysieke verstoring, wat helpt om de natuurlijke lichamelijke functies van het organisme te behouden.” Er is alleen één probleem: traditionele micro- en nanofabricagetechnieken zijn momenteel niet biocompatibel en zelfs ronduit gevaarlijk voor levend weefsels.
IJslithografie
Maar er gloort hoop. Want sinds kort is er ijslithografie. “Dit is een opkomende fabricagemethode waarvan is aangetoond dat deze patronen kan aanbrengen op kwetsbare delicate ondergronden,” legt Zhao uit. “Deze techniek vereist echter nog steeds barre omstandigheden, zoals bevriezing en een vacuümomgeving.” Levende weefsels moeten namelijk in een vacuüm worden geplaatst en met een ijscoating worden bedekt, waarna men met elektronenbundels een patroon in die ijscoating ’tekent’ dat pas zichtbaar wordt als het weefsel weer wordt verwarmd en de ijscoating smelt. In een eerste poging om na te gaan of ijslithografie op kleine, levende organismen kan worden toegepast, besloten de onderzoekers dan ook al snel een beroep te doen op de onverwoestbare beerdiertjes. “Want beerdiertjes staan bekend om hun extreme stressbestendigheid.”
Het experiment
Die stressbestendigheid hebben beerdiertjes mede te danken aan een slimme overlevingsstrategie die ook wel aangeduid wordt als cryptobiose. Zodra de omstandigheden waarin beerdiertjes leven onleefbaar worden, gaan ze in cryptobiose. Hun stofwisseling komt dan vrijwel stil te liggen en de beerdiertjes lijken bijna dood te zijn. Maar schijn bedriegt: wanneer de omstandigheden beter worden, komen de beerdiertjes uit cryptobiose en gaan ze weer verder waar ze gebleven waren. Omdat het tatoeage-avontuur een bevriezing, blootstelling aan straling en een vacuüm behelsde, besloten de onderzoekers de beerdiertjes eerst in cryptobiose te laten gaan. Ze lieten de beerdiertjes daartoe grotendeels uitdrogen. Eenmaal in cryptobiose werden de beerdiertjes klaargemaakt voor hun tatoeage. Ze werden in een vacuüm geplaatst, blootgesteld aan temperaturen van ongeveer -143 graden Celsius en bedekt met anisol – een naar anijs ruikend goedje. Vervolgens gebruikten de wetenschappers een elektronenbundel om een patroon in de anisol te kerven. Alleen anisol dat door de elektronenbundel werd beroerd, transformeerde tot een biocompatibel materiaal dat bij hogere temperaturen aan het beerdiertje bleef plakken. Dus toen de onderzoekers het beerdiertje weer opwarmden, verdampte de anisol die niet door de elektronenbundel was beroerd en vormde het door de elektronenbundel beroerde anisol een fraaie ‘tatoeage’. Door het uitgedroogde beerdiertje vervolgens weer te hydrateren, kwam deze uit cryptobiose en ging – met tatoeage – vrolijk verder waar deze gebleven was.
Sterfte
Tenminste: soms. Ongeveer 40 procent van de beerdiertjes overleefde het zetten van de tatoeage en hervatte de activiteiten, zonder ogenschijnlijk hinder te ondervinden van de tatoeage. Dat 60 procent stierf, komt volgens Zhao waarschijnlijk niet door de tatoeage zelf. “We kunnen niet volledig uitsluiten dat het aanbrengen van het patroon enige schade aanrichtte. Maar het feit dat een substantieel aantal beerdiertjes de ingreep overleefde en daarna de activiteiten hervatte, wijst erop dat de schade die de procedure zelf met zich meebracht beperkt was en niet de belangrijkste oorzaak van de dood van de beerdiertjes was.” Dat 60 procent van de beerdiertjes het loodje legde, zou eerder te wijten zijn aan natuurlijke, onderlinge verschillen in stressbestendigheid, zo stelt Zhao. Ook is het mogelijk dat de beerdiertjes niet op de meest optimale manier in cryptobiose zijn gegaan en dat daardoor hun kansen om daar weer levend uit te komen, flink afnamen.
Overwinning
Voor de onderzoekers is het duidelijk al een hele overwinning dat 40 procent van de beerdiertjes hun tatoeage-avontuur hebben overleefd en daarna – met tatoeage – ook hun leven weer konden oppakken. “Voor het eerst zijn we erin geslaagd om micro- tot nanoschaalpatronen met precisie rechtstreeks aan te brengen op het oppervlak van levende beerdiertjes,” benadrukt Zhao. “Gezien het onregelmatige en kwetsbare oppervlak van hun lichaam is dat veelzeggend (…) Het meest verbazingwekkende was nog wel dat de ‘getatoeëerde’ beerdiertjes niet alleen de procedure overleefden, maar ook in staat bleven om normaal te bewegen.”
Uitdagingen
De onderzoekers zien hun bevindingen als een ‘proof of concept’: bewijs dat het idee om micro- en nanofabricagetechnieken rechtstreeks op levende organismen toe te passen realiteit kan worden. Tegelijkertijd erkennen ze dat er nog een lange weg te gaan is. “Het toepassen van deze techniek op kleinere of kwetsbaardere organismen brengt aanzienlijke uitdagingen met zich mee,” erkent Zhao. Zo zijn die organismen bijvoorbeeld vaak niet opgewassen tegen de bevriezing die met de toepassing van ijslithografie gepaard gaat. “Om verdere vooruitgang te boeken, zullen we de experimentele omstandigheden moeten optimaliseren en mogelijk het fabricageproces volledig moeten herontwerpen.”
Onderzoeker Gavin King, uitvinder van de ijslithografie, maar niet betrokken bij het onderzoek, ziet het desalniettemin zonnig in. “Het is een uitdaging om levend materiaal te voorzien van patronen, maar dit is een stap vooruit en hint op een nieuwe generatie biomaterialen en biofysische sensoren die tot nu toe alleen in sciencefiction bestonden.”
