Zilverklompje in DNA-lus gaat gifstoffen, vervuiling en ziektekiemen detecteren
DNA-encapsulated nanoclusters zijn korte stukjes DNA, gewikkeld om een cluster van een handjevol zilveratomen. Ze kunnen dienen als extreem gevoelige sensor voor giftige of vervuilende stoffen, of voor sporen van virussen en bacteriën.
In een samenwerking met het ‘Duitse TNO’, de Fraunhofer Gesellschaft, gaan Leidsenatuurkundigen Doris Heinrich en Dirk Bouwmeester onderzoeken hoe Ag-DNA toegepast kan worden in snelle, goedkope en gevoelige tests voor vervuiling of ziekteverwekkers.
Tekst: ‘Je kunt verschillende DNA-strengen maken en koppelen aan zilver-clusters om Ag-DNA te maken, en iedere combinatie is gevoelig voor andere stoffen’, zegt projectleider Doris Heinrich, onderzoeker aan het Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde (LION) en bij het Fraunhofer Gesellschaft, ‘als het Ag-DNA vervolgens in aanraking komt met die specifieke stof, veranderen de optische eigenschappen. Die verandering kun je gebruiken voor detectie van stoffen in bijvoorbeeld bloed of weefsels, maar ook voedsel of water.’
Biosensing
Die toepassing wordt onderzocht in het onderzoeksproject Biosensing,een samenwerking tussen LION en twee onderzoeksinstituten van de Duitse Fraunhofer-geselschaft: het Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) in Würzburg, en het Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie (IME) in Aken.
Het Fraunhofer Gesellschaft trekt 1,5 miljoen uit voor het project met een totaalbudget van 3 miljoen euro, de Leidse bijdrage leveren de onderzoeksgroepen van Heinrich en prof.dr. Dirk Bouwmeester in natura. De samenwerking is onderdeel van Fraunhofers ICON (International Cooperation and Networking)-programma voor onderzoekssamenwerkingen met buitenlandse partners.
Zilver-DNA
Chemici ontdekten in 2004 een manier om Ag-DNA te maken. Elektrisch geladen zilver-ionen (Ag is het chemische symbool voor zilver) hechten zich gemakkelijk aan korte strengen DNA in een oplossing. Als de elektrisch geladen zilver-ionen vervolgens chemisch worden omgezet in neutrale zilver-atomen, vormen ze kleine clusters van zes tot zestien atomen. Als een lus daaromheen gewikkeld zit de DNA-streng.
De zilverclusters zijn zo klein dat ze zich quantummechanisch gedragen: als er licht op valt vertonen ze fluorescentie, wat wil zeggen dat ze zelf licht terugzenden met een andere golflengte dan het invallende licht. Dit effect is bekend van de van glow-in-the-dark-polsbandjes die gifgroen oplichten onder invloed van ultraviolet licht.
Nano-sensor
In 2016 beschreven Doris Heinrich, Dirk Bouwmeester, en anderen hoe deze fluorescentie zicht biedt op extreem gevoelige detectietechnieken. De precieze vorm van het DNA is gevoelig voor moleculen waarmee het in aanraking komt, en die DNA-vormveranderingen beïnvloeden op hun beurt weer de fluorescentie van het zilvercluster.
Zo wordt het Ag-DNA een quantummechanische nano-sensor: als het in aanraking komt met bepaalde stoffen -afhankelijk van de precieze DNA-volgorde - is dat te zien aan de veranderende fluorescentie.
‘De gevoeligheid is heel groot’, zegt Heinrich, ‘dan moet je denken aan de detectie van vervuilende of giftige stoffen in water of voedsel, maar ook aan sporen van ziekteverwekkers in bloed of weefselcellen.’
Ziekteverwekkende stoffen
De optische detectie leent zich bovendien goed voor een snelle, goedkope test op een kleine chip in een handzame detector voor vervuilende of ziekteverwekkende stoffen, zodat ook toepassingen buiten ziekenhuizen, in het veld of in ontwikkelingslanden goed denkbaar zijn.
‘Dit project gaat om het ontwikkelen van die praktische toepassing, met proeven en pilot-projecten’, zegt Heinrich. Daarnaast is het ICON-project bedoeld om de samenwerking tussen Leiden en Fraunhofer te versterken. Heinrich: ‘Dit eerste project duurt drie jaar, daarna is er de mogelijkheid om de samenwerking te versterken met vervolgprojecten.’