De aanstaande promotie van Xander Janssen (28) is niet alleen voor hem persoonlijk een heugelijke gebeurtenis: hij is de eerste uit zijn vakgroep die zal promoveren. De onderzoeksgroep Molecular Biosensors for Medical Diagnostics is namelijk pas enkele jaren geleden opgericht door de faculteit Technische Natuurkunde, in nauwe samenwerking met Philips Research Eindhoven. Janssen: “Daar waar Philips meer productgericht is, houden wij ons bezig met de fundamentele kennis achter de biosensoren, op het niveau van de wisselwerking tussen moleculen en cellen, en tussen moleculen onderling. En dat alles uiteraard met een fysische insteek.”

Die fysische -natuurkundige- insteek is in het onderzoek van Janssen eenvoudig te vinden: hij maakt namelijk gebruik van één van de fundamentele natuurkundige krachten: magnetisme. Middels die kracht verschaft hij zich toegang tot de wereld van het -bijna- onzichtbare: de moleculen die centraal staan in biosensoren, zoals glucosemeters voor suikerpatiënten of zwangerschapstests voor vermoedelijke aanstaande moeders. “Ik heb gewerkt met zogeheten super-paramagnetische bolletjes, kleine plastic bolletjes met ijzeroxidedeeltjes erin. Die bolletjes zijn niet van zichzelf magnetisch. Dat wil je ook niet, want dan zouden ze gaan samenklonteren.” Pas als je een magneetveld aanlegt, worden de bolletjes magnetisch en kun je -door de eigenschappen van het magneetveld zorgvuldig te kiezen- aan de bolletjes trekken, of de ze om hun as laten draaien.

Janssen gebruikte magneetbolletjes met een doorsnede van ongeveer een micrometer, een duizendste van een millimeter - niet zichtbaar met het blote oog, maar nog net wel met een gewone microscoop. En dat is essentieel, vertelt hij: “Omdat je de moleculen die je wilt detecteren zelf niet kunt zien, moet je in biosensoren altijd iets wat je wél kunt zien aan de moleculen vastplakken: je moet ze labelen. In een zwangerschapstest is dat de kleurstof die het bekende streepje veroorzaakt, maar dat label kan ook radioactief zijn, of een lichtgevend molecuul. In ons geval is dat dus een magneetbolletje.”

Maar met een magnetisch label kun je uiteraard meer dan alleen maar de concentratie bepalen van de stof waarnaar je op zoek bent. De magneetbolletjes maken zogeheten functionele biosensoren mogelijk: door aan de magneetjes te trekken, trek je ook aan de moleculen waaraan de bolletjes zijn vastgeplakt. Je hebt dan in feite een magnetisch pincet gecreëerd, waarmee je aan moleculen kunt sjorren en trekken. Door de beweging van de magneetbolletjes zorgvuldig te bestuderen, kun je ook veel te weten komen over de hieraan vastgeplakte moleculen: zijn ze makkelijk uit te rekken, of ‘op te winden’ door ze om hun as te draaien? En verandert dat als je aan de oplossing -de experimenten spelen zich af in een flinterdun laagje vloeistof- andere stoffen toevoegt?

Janssen: “Een deel van de testen hebben we gedaan met de speciale chips van Philips Research, maar doordat deze chips geïntegreerde sensoren hebben, zijn ze relatief duur. Zeker omdat je ze maar één keer kunt gebruiken. Voor de ontwikkeling van nieuwe meetmethodes zijn we daarom overgestapt naar glasplaatjes. Daarvan gaan er soms vele tientallen per dag doorheen. De glasplaatjes hebben bovendien het voordeel dat ze een veel groter oppervlak hebben, zodat we vele honderden deeltjes tegelijk kunnen bestuderen.”

De bewegingen van de magneetdeeltjes worden vastgelegd met een hogesnelheidscamera, die tussen de driehonderd en duizend plaatjes per seconde schiet. Deze worden in het geheugen van de camera vastgelegd en naderhand uitgelezen en geanalyseerd met behulp van speciale software, die ook de rotatie van de deeltjes herkent. “Daarbij hadden we geluk dat het oppervlak van de bolletjes relatief ruw bleek te zijn. Bij perfect ronde en gladde bolletjes is het onmogelijk om te zien of ze draaien.” Dat bleek toen de fabrikant bij een latere bestelling wél gladde bolletjes leverde. “Die hebben we toen zelf maar ruwer gemaakt door ze te beplakken met kleine niet-magnetische bolletjes”, lacht Janssen.

Het is niet eenvoudig om conclusies te trekken over moleculen die je slechts heel indirect waarneemt; het is alsof je op de tast een weg moet vinden in een onbekende omgeving. Soms blijkt uit experimenten dat je een heel verkeerd beeld hebt van wat er gebeurt, geeft Janssen toe. “Maar dat houdt je scherp. Je moet veel controle-experimenten doen, waarin je als het ware probeert je eigen ongelijk te bewijzen.”

Het magnetische pincet wordt al in vele laboratoria toegepast om de mechanische eigenschappen van DNA te onderzoeken. In het type biosensoren dat Janssen voor ogen heeft, draait het echter om het herkennen en analyseren van veel kleinere moleculen, zoals eiwitten of antigenen (indicatoren voor de aanwezigheid van een virus of bacterie). Hij was in staat om de torsiemodulus -ofwel de ‘draaistijfheid’- van een complex van eiwitmoleculen te bepalen door deze aan het ene uiteinde vast te zetten en het andere uiteinde aan een magneetbolletje te plakken en deze te laten roteren. “Naar ons weten is het voor het eerst dat de torsiemodulus van zo’n klein moleculair complex is bepaald. Dit soort metingen is al wel aan DNA gedaan, maar die moleculen zijn al snel honderd keer zo lang. Het is best opzienbarend dat we dit hebben kunnen meten.” (TJ)/.