Eenvoudige modeldeeltjes voor complexe systemen
Plastic bolletjes vormen uit zichzelf virusachtige structuur
7 juli 2016
Eenvoudig te maken modeldeeltjes lijken goed bruikbaar om te onderzoeken hoe complexe biologische structuren ontstaan. Dit blijkt uit onderzoek van Nederlandse scheikundigen dat op 8 juni online werd gepubliceerd in Nature. Hierin laten ze onder meer zien hoe de deeltjes zichzelf ordenen tot
een schil, vergelijkbaar met de eiwitschil van een virus. "De eerste resultaten van ons onderzoek met deze modeldeeltjes doen vermoeden dat vervormbaarheid en asymmetrie cruciaal zijn voor de vorming van complexe biologische nanostructuren", aldus onderzoeksleider prof. Willem Kegel van de
Universiteit Utrecht. Dit onderzoek is mede gefinancierd door een TOP-GO subsidie en een Vici-subsidie van NWO.
Kegel en zijn promovendus Chris Evers wilden nieuwe deeltjes ontwerpen als modelsysteem voor virussen. "Een virus is een heel ingewikkeld systeem om op moleculair niveau te bestuderen", licht Kegel toe. "Het bestaat uit een aantal eiwitten die een schil vormen rond het genetisch materiaal van
het virus. In een gastheercel opent de eiwitschil zich, zodat het DNA vrijkomt en het virus zich kan vermenigvuldigen. Onze modeldeeltjes zijn ruim honderd keer zo groot als de bouwstenen van een virus. Daardoor kunnen we direct onder de microscoop zien hoe zij zich organiseren."
Drie cruciale eigenschappen
De eenvoudig in het laboratorium te maken microbolletjes zijn vervormbaar, een klein beetje asymmetrisch, en kunnen andere deeltjes zowel aantrekken als afstoten. Die eigenschappen hebben ze gemeen met veel ingewikkeldere biomoleculen zoals eiwitten. Tot hun grote verrassing bleken de eerste
deeltje die Evers maakte al direct schilachtige structuren te vormen, al hadden ze dat bijna gemist. "Het is dankzij de verbeeldingsrijke geest van Chris dat we dit prachtige resultaat hebben gevonden", vertelt Kegel. "Hij zag dat zich een virusachtige structuur had gevormd, ook al hadden we
die voor zulke eenvoudige deeltjes nog niet verwacht."
Eigenschappen bolletjes bepalen structuur
Met computersimulaties door medeauteurs dr. Jurriaan Luiken en prof. Peter Bolhuis van de Universiteit van Amsterdam, tonen de onderzoekers aan dat de mate van vervormbaarheid van de bolletjes het aantal bindingen met andere bolletjes bepaalt. Daardoor is het mogelijk bolletjes te maken die
zichzelf heel specifiek in bepaalde structuren ordenen, zoals in dit geval een structuur die lijkt op de eiwitschil van een virus. Daarnaast is het met deze methode in principe mogelijk nieuwe structuren te ontwerpen, zoals nanocapsules die geneesmiddelen op een specifieke plek in het lichaam
afleveren.
Proces vergelijkbaar met biomoleculen
De plastic bolletjes zijn vervormbaar omdat ze op hun oppervlak twee soorten polymeermoleculen hebben. De ene soort moleculen stoot elkaar af, de andere soort trekt elkaar aan. Als twee bolletjes elkaar naderen, herschikken de polymeermoleculen zich. De moleculen die elkaar aantrekken zoeken
het grensvlak van de plastic bolletjes op, terwijl de moleculen die elkaar afstoten zich verspreiden over de andere kant van ieder bolletje. "Wij vermoeden dat dit proces vergelijkbaar is met wat er gebeurt als twee complexe biomoleculen elkaar naderen", aldus onderzoeksleider Willem Kegel,
hoogleraar Zelfordenende Systemen aan de Universiteit Utrecht.
Juiste verhouding kiezen
Schilachtige structuren die lijken op de eiwitschillen van virussen ontstaan door de juiste verhouding van elkaar aantrekkende en elkaar afstotende polymeermoleculen te kiezen. De elkaar aantrekkende polymeermoleculen in combinatie met de lichte asymmetrie, zorgen voor binding en kromming. De
elkaar afstotende polymeermoleculen die zichzelf verspreiden over de buitenkant van de schil voorkomen dat daar een nieuwe laag plastic bolletjes aangroeit, waardoor een wanordelijk cluster zou ontstaan.
Promotie
Chris Evers promoveert op 29 juni. De Nature-publicatie is een van de hoofdstukken van zijn proefschrift.
Dit onderzoek is mede gefinancierd door een TOP-GO subsidie (Kegel) en een Vici-subsidie (Bolhuis) van NWO.
Publicatie
`Self-assembly of Microcapsules via Colloidal Bond Hybridization and Anisotropy'
Chris H.J. Evers, Jurriaan A. Luiken, Peter G. Bolhuis en Willem K. Kegel
Nature, 8 juni 2016
Bron: Universiteit Utrecht