Single-molecule biosensing platform: sensoren helpen om het juiste signaal te vinden
Klimaatverandering en vervuiling kunnen al invloed hebben op onze gezondheid lang voordat ziekte zichtbaar wordt. Hitte, luchtvervuiling en andere omgevingsfactoren kunnen vroege veranderingen in het lichaam op gang brengen, bijvoorbeeld in het immuunsysteem. Om die veranderingen beter te begrijpen, hebben onderzoekers gevoelige en betrouwbare manieren nodig om biologische signalen te meten, zoals eiwitten of biomarkers.
Dat is een van de ambities van het Flagship Personalized, Real-Time Health Impact of Climate Change and Pollution. Binnen dit programma worden technologieën ontwikkeld die kunnen helpen om blootstelling aan omgevingsfactoren te koppelen aan biologische reacties in het lichaam. Het single-molecule biosensing platform richt zich op een essentieel onderdeel daarvan: hoe herken en meet je heel specifieke biologische signalen in lichaamsmateriaal? Die kennis is belangrijk voor toekomstige technologieën waarmee we beter kunnen volgen hoe omgevingsstressoren onze gezondheid beïnvloeden.
| De visual hieronder laat zien hoe het platform voortbouwt op bestaande biosensing-methoden en toewerkt naar een preciezere manier om aptameren voor toekomstige biosensoren te begrijpen, selecteren en optimaliseren. |
Hoe weet een sensor waar hij naar moet zoeken?
Bij het ontwikkelen van een goede gezondheidssensor staat één vraag centraal: hoe herkent de sensor precies het molecuul dat gemeten moet worden? Een biosensor moet bijvoorbeeld een specifiek eiwit, een biomarker of een ziekteverwekker kunnen opsporen in een kleine hoeveelheid lichaamsmateriaal, zoals bloed, zweet, huidvocht of een ander biologisch monster. Daarvoor is een herkenningsmolecuul nodig: een molecuul dat het juiste doelwit kan vinden en eraan kan binden. Zodra dat gebeurt, kan de sensor die binding omzetten in een meetbaar signaal.
Veel biosensoren gebruiken hiervoor nu antilichamen. Antilichamen zijn krachtig, omdat ze heel specifiek aan een doelwit kunnen binden. Tegelijkertijd zijn ze niet voor elk molecuul even makkelijk te maken, aan te passen of te standaardiseren.
Onderzoekers van TU Delft verkennen daarom een alternatief: aptameren. Aptameren zijn synthetische herkenningsmoleculen die bestaan uit korte stukjes DNA of RNA. In dit geval worden DNA en RNA niet gebruikt als genetische code, maar als moleculair materiaal dat zich kan vouwen in vormen die specifieke doelwitten herkennen. Omdat aptameren chemisch goed gedefinieerd zijn en in het lab kunnen worden ontworpen, bieden ze mogelijk een flexibelere route voor de ontwikkeling van biosensoren.
Maar een aptameer vinden dat aan een doelwit bindt, is pas de eerste stap. Voor biosensing is méér nodig dan binding alleen. Een goed herkenningsmolecuul moet selectief binden, betrouwbaar gedrag vertonen en een signaal opleveren dat daadwerkelijk gemeten kan worden. Het moet bovendien goed blijven werken onder praktische meetomstandigheden, waarin veel veelbelovende moleculen zich anders kunnen gedragen dan verwacht.
| Wat is een biosensor? Een biosensor is een apparaat of systeem dat een biologisch molecuul detecteert, zoals een eiwit of biomarker, en die detectie omzet in een meetbaar signaal . Wat is een antilichaam?Een antilichaam is een eiwit dat een specifiek doelwit kan herkennen en eraan kan binden, zoals een biomarker of ziekteverwekker. In veel biosensoren worden antilichamen gebruikt als het onderdeel dat het molecuul “vangt” waar de sensor naar zoekt. . Wat is een aptameer?Een aptameer is een in het lab gemaakt herkenningsmolecuul dat bestaat uit een kort stukje DNA of RNA. Het kan zich vouwen in een vorm die een specifiek doelwit herkent, zoals een eiwit of biomarker. |
Aptameren worden vaak geselecteerd omdat ze kunnen binden, maar voor biosensing is binding alleen niet genoeg. We moeten begrijpen hoe ze bewegen, hoe ze van vorm veranderen en hoe die moleculaire bewegingen een betrouwbaar signaal opleveren.
Wat maakt deze aanpak vernieuwend?
Hier komt het single-molecule biosensing platform in beeld. Het team ontwikkelt een laboratoriumplatform om aptameren voor gezondheidsgerelateerde toepassingen beter te begrijpen, te selecteren en te optimaliseren. Met behulp van single-molecule fluorescence kunnen onderzoekers aptameren één molecuul tegelijk bestuderen, in plaats van alleen het gemiddelde gedrag van grote groepen moleculen te meten.
Dat detailniveau is belangrijk, omdat aptameren dynamische moleculen zijn. Ze kunnen vouwen, buigen, schakelen tussen verschillende vormen en stabieler worden wanneer ze aan een doelwit binden. Die bewegingen zijn geen klein moleculair detail: ze kunnen bepalen of een aptameer een sterk biosensing-signaal geeft, of juist geen bruikbare respons oplevert.
Het platform verschuift daarmee de vraag van: “bindt dit aptameer?” naar: “gedraagt dit aptameer zich op een manier die bruikbaar is voor sensing?” Door de volgorde van het aptameer, de moleculaire beweging, de binding aan het doelwit en de uiteindelijke sensorprestatie met elkaar te verbinden, kunnen onderzoekers beter begrijpen waarom het ene aptameer goed werkt in een sensor en het andere niet.
| Wat is single-molecule fluorescence? Single-molecule fluorescence is een methode waarbij licht wordt gebruikt om individuele moleculen te volgen. Onderzoekers labelen moleculen met fluorescerende markers en kijken hoe ze bewegen, met elkaar interacteren of van vorm veranderen. Zo kunnen ze gedrag zien dat vaak verborgen blijft wanneer veel moleculen tegelijk worden gemeten, zoals vormveranderingen, verschillen tussen moleculen en stabilisatie na binding aan een doelwit. |
.
Van trial-and-error naar slimmer ontwerpen
De ontwikkeling van aptameren bestaat nu nog vaak uit veel trial-and-error. Onderzoekers vinden bijvoorbeeld moleculen die aan een doelwit binden, maar ontdekken pas later of die ook geschikt zijn voor gebruik in een echte biosensor. Dit project wil aptameerontwikkeling gerichter maken: van selectie op basis van proberen en testen naar ontwerp op basis van beter begrip van het onderliggende mechanisme.
Single-molecule fluorescence helpt eerst om te begrijpen hoe aptameren werken. Daarnaast wordt SPARXS ontwikkeld om die kennis op te schalen naar veel verschillende aptameersequenties tegelijk.
Waar standaard single-molecule technieken vooral geschikt zijn om geselecteerde aptameren heel gedetailleerd te onderzoeken, kan SPARXS het mogelijk maken om veel varianten onder dezelfde experimentele omstandigheden met elkaar te vergelijken. Zo kunnen onderzoekers beter zien welke kenmerken in de sequentie leiden tot gedrag dat bruikbaar is voor sensing. Dat kan helpen om aptameren sneller te optimaliseren en ontwerpprincipes te ontwikkelen voor toekomstige aptameer-gebaseerde biosensoren.
| What is SPARXS? SPARXS is een multiplexed single-molecule platform dat wordt ontwikkeld om veel aptameersequenties parallel te bestuderen, terwijl het detailniveau van single-molecule metingen behouden blijft. Voor aptameeronderzoek betekent dit dat onderzoekers veel mogelijke aptameren onder dezelfde omstandigheden kunnen vergelijken en kunnen zien welke varianten het meest geschikt zijn voor sensing. |
.
Waarom dit belangrijk is voor gezondheid
Gevoelige en betrouwbare moleculaire detectie is belangrijk voor vroege diagnostiek, ziektemonitoring en gepersonaliseerde geneeskunde. Als dit platform succesvol is, kan het de ontwikkeling van aptameer-gebaseerde biosensoren versnellen, zowel voor biomedisch onderzoek als voor toekomstige diagnostische toepassingen.
Het platform kan ook bijdragen aan een snellere ontdekking van synthetische herkenningsmoleculen voor klinisch relevante eiwitten, biomarkers, ziekteverwekkers of andere gezondheidsgerelateerde doelwitten. Op langere termijn kunnen aptameer-gebaseerde sensoren bijdragen aan flexibelere en beter reproduceerbare diagnostische technologieën, bijvoorbeeld voor laboratoriumtesten en mogelijk ook voor point-of-care testing.
.
Waarom Convergence belangrijk is
Dit project brengt single-molecule biophysics, moleculaire biologie, nanotechnologie, data-analyse en biomedische toepassingen samen. De Delftse bijdrage richt zich op single-molecule fluorescence, de mechanica van aptameren, moleculaire engineering en multiplexed screening waarbij veel sequenties tegelijk kunnen worden onderzocht.
.
Binnen Convergence kan dit technische werk worden verbonden met biomedische en klinische expertise van Erasmus MC en Erasmus Universiteit Rotterdam. Die verbinding is vooral belangrijk bij het bepalen van relevante gezondheidsdoelwitten, praktische biosensing-behoeften en mogelijke routes voor toekomstige validatie. Een biosensing-platform wordt immers pas echt bruikbaar als het wordt ontwikkeld vanuit concrete gezondheidsvragen. Welke doelwitten zijn belangrijk? Hoe gevoelig en specifiek moet de sensor zijn? Welk type biosensor is in de praktijk bruikbaar? En wat is er nodig om de technologie later te valideren?
.
Ook technologie- en industriepartners kunnen in latere fases een rol spelen, bijvoorbeeld bij assay-ontwikkeling, automatisering en de vertaling naar praktische sensing-formaten. Door moleculair inzicht, platformontwikkeling en biomedische input te combineren, helpt de samenwerking ervoor te zorgen dat de technologie al vroeg wordt ontwikkeld met toekomstige gezondheidstoepassingen in gedachten.
Onderdeel van het Flagship
Het single-molecule biosensing platform is onderdeel van het Flagship Personalized, Real-Time Health Impact of Climate Change and Pollution. Binnen dit bredere programma richt het project zich op een van de kleinste, maar meest bepalende onderdelen van toekomstige sensing-technologieën: het molecuul dat het doelwit herkent en helpt om een betrouwbaar signaal te genereren. Lees meer over het Flagship: Personalized, Real-Time Health Impact of Climate Change and Pollution.