Sneller biomoleculen identificeren

05 januari 2010 

Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben in een door Technologiestichting STW gefinancierd project een methode ontwikkeld om de activiteit van biomoleculen te meten die veel sneller en gevoeliger is dan de bestaande techniek. Hiermee kunnen bijvoorbeeld antistoffen in zeer kleine bloedmonsters worden aangetoond, en dat in enkele minuten tijd waar het met de gangbare methode een paar uur duurt. De onderzoekers publiceerden hierover in de decembernummer van het vaktijdschrift Analytical Methods. Het nummer heeft een illustratie op de omslag die geïnspireerd is op hun onderzoek.

In de microbiologie en het biomedische onderzoek horen zogeheten microarrays tegenwoordig tot het standaard instrumentarium voor onderzoek. Een microarray bestaat uit een plaatje met daarop een regelmatig patroon van plekjes of spots van verschillende zogeheten liganden. Dat zijn stoffen die zich aan biomoleculen binden en er zo een complex mee vormen. Op de microarray breng je daarna een vloeistof, bijvoorbeeld bloed aan, om die te onderzoeken op de aanwezigheid van biomoleculen waarin je geïnteresseerd bent.

De neiging van de liganden om te binden - in vaktaal "binding affinity" - is karakteristiek per complex van ligand en biomolecuul. Kenmerkend is ook de stevigheid van de binding. Bindingen vormen zich en laten weer los. Dit leidt tot een verhouding tussen zogeheten associatie en dissociatie die per biomolecuul verschillend kan zijn. Tenslotte zal het signaal sterker worden in kortere tijd naarmate er meer van een bepaald soort biomolecuul is. In de gangbare techniek wordt op de array één bepaalde concentratie aan liganden aangebracht, waarna wordt gemeten. Voor een volgende meting moet je eerst de dunne film van biomoleculen verwijderen om de ligandenlaag weer schoon te spoelen voordat je een volgende meting van biomoleculen kunt doen. In zijn geheel duurt een bepaling al snel enkele uren. Bovendien kun je met heel kleine monsters deze procedure niet uitvoeren. Daar heb je dan te weinig materiaal voor.

Ganeshram Krishnamoorthy (STW), Edwin Carlen, Bianca Beusink, Richard Schasfoort en Albert van den Berg, allen verbonden aan het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente, hebben nu een alternatief ontwikkeld. Zij vullen de verschillende vakjes of spots op de microarray met liganden met een steeds andere dichtheid per vakje. Daarna brengen ze maar één keer de dunne film van het te onderzoeken monster aan en tasten vervolgens het oppervlak van het microarray af met een laserbundeltje. Wanneer een ligand zich bindt aan een biomolecuul uit de dunne film, verandert de structuur van het ligandoppervlak. Die verandering wisselt naarmate het ligand zich aan een ander biomolecuul bindt. Valt de binding weer uiteen, dan krijgt het oppervlak zijn oude structuur terug. Door te beschijnen met een laser wek je zogeheten oppervlakteplasmonen op, lichtgolven die elektronen in een dunne metaallaag laten trillen. Door het vormen van bindingen verandert de brekingsindex voor licht aan het oppervlak en dat verstoort de plasmonen. Het gevolg is dat er een bekend natuurkundig verschijnsel gaat optreden: resonantie. Die resonantie kun je met zogeheten imaging Surface Plasmon Resonance (iSPR) afbeelden en zo'n beeld bevat precies de informatie die je wil hebben over het bindingsgedrag van alle liganden tegelijkertijd.

De onderzoekers hebben hun nieuwe techniek getoetst aan de combinatie van microglobuline en zijn antistof en aan die van menselijk IgG en zijn antistof. Tegelijk hebben ze deze combinaties ook onderzocht met de gangbare techniek en de uitkomsten van beide methoden kwamen sterk overeen. Hun nieuwe techniek, stellen de onderzoekers, lijkt dus betrouwbaar en kan zonder problemen gebruikt worden voor allerlei andere stoffen. De nieuwe methode werkt veel sneller dan de oude (minuten tegen uren), vereist veel minder materiaal voor de dunne film (je hoeft maar één laagje aan te brengen), je hoeft geen labels te gebruiken, de methode is veel gevoeliger (omdat je ook heel zwakke bindingen kunt waarnemen) en je kunt in één keer een aantal verschillende biomoleculen tegelijkertijd opsporen.

Een symbolische voorstelling van een meting aan een microarray met de nieuwe methode die Twentse onderzoekers hebben ontwikkeld. Deze illustratie siert de omslag van het decembernummer van Analytical Methods.

Meer informatie bij:
Meer informatie bij ir. Ganeshram Krishnamoorthy, telefoon 053 - 489 2724, dr. Richard B.M. Schasfoort, telefoon 053 - 489 5621 of prof.dr.ir. Albert van den Berg, telefoon 053 - 489 5653. Referentie: Single injection microarray-based biosensor kinetics; Ganeshram Krishnamoorthy, Edwin Carlen, Bianca Beusink, Richard Schasfoort and Albert van den Berg, Analytical Methods, Vol. 1, No. 3, December 2009, 162-169.