Hoe reageren individuele cellen of eiwitten als je de zuurgraad wijzigt? Onderzoekers van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de UT hebben een techniek ontwikkeld om de pH ‘met zachte hand’ te variëren: zonder de biomoleculen te beschadigen. Zo verwachten zij straks de activiteit van één enkel enzym te kunnen meten als functie van de zuurgraad. De onderzoekers publiceren deze resultaten in het journal Lab on a Chip, dat er een coverartikel van maakt in de editie van 21 december.
Bestaande methoden om de zuurgraad aan te passen, hebben vaak
onvoorspelbare gevolgen voor de omgeving waarin een cel of
biomolecuul verkeert. Er treden elektrochemische reacties op die
het meetresultaat beïnvloeden, of de zuurgraad verandert niet snel
genoeg. Wat er nu écht gebeurt als de zuurgraad verandert, wordt
dan niet goed duidelijk, of de meting heeft zelfs een schadelijk
neveneffect. Onderzoeker Rogier Veenhuis en zijn collega's hebben
een techniek ontwikkeld die op de klassieke titratie lijkt, maar
dan elektrisch gestuurd en met extreem kleine volumes. Het grote
voordeel is dat er geen ongewenste reacties optreden: het is een
'zachte' benadering.
Lichtsterkte geeft pH aan
Dat bereiken de onderzoekers door de bodem van een micro- of
nano-vloeistofkanaal van heel dun siliciumnitride te maken en
daaronder een elektrode aan te brengen. Een negatieve spanning op
die elektrode resulteert erin dat protonen naar het
nitride-oppervlak worden getrokken, waar ze worden gebonden.
Daardoor wordt de oplossing meer basisch en gaat de pH omhoog. Een
positieve spanning heeft het omgekeerde effect: protonen komen vrij
vanaf het oppervlak, de oplossing wordt zuurder en de pH gaat
omlaag. Anders dan bij elektrolyse vindt er geen reactie plaats aan
de elektrode, omdat het siliciumnitride er als isolator tussen zit:
zo wordt een soort condensator gevormd. Door 'aan de knop te
draaien' van de spanning is de zuurgraad te variëren. En dat is
vervolgens zichtbaar te maken door een fluorescerende pH-indicator
toe te voegen aan de oplossing: de veranderende lichtsterkte geeft
de pH-variatie aan.
De nieuwe manier van titreren vindt met extreem kleine
hoeveelheden vloeistof plaats; substanties kunnen worden getitreerd
in het attomol-bereik (10-18 mol). Uiteindelijk willen
de onderzoekers in staat zijn om de activiteit van één enkel enzym
te meten als functie van de zuurgraad.
Het onderzoek is uitgevoerd in de BIOS Lab on a Chip groep van
prof. Albert van den Berg, die recent een van de drie
Spinozapremies 2009 ontving. De groep maakt deel uit van het MESA+
Instituut voor Nanotechnologie van de UT.
Het artikel 'Field-effect based attomole titrations in
nanoconfinement' van Rogier Veenhuis, Egbert van der
Wouden, Jan van Nieuwkasteele, Albert van den Berg en Jan Eijkel is
online verschenen en zal een 'inside cover'-verhaal zijn in de
editie van 21 december van het journal Lab on a Chip.
