Flipperkast voor moleculen

Dr.ir. Gea Oswah Fatah Parikesit ontwierp een chip om DNA-moleculen mee te sorteren. Dat kan nieuwe mogelijkheden bieden voor genetische tests. En hoewel er iets mis ging, werkt de chip alsnog.

"De situatie dwong me ertoe om meer innovatief te denken", vat dr.ir. Gea Oswah Fatah Parikesit zijn zoektocht samen. Hij pakt een Tupperware doosje uit zijn tas en haalt daar een plexiglas blokje uit te voorschijn, zo groot als een doosje keukenlucifers. Twee koperen klemmetjes fixeren een chip, zo groot als een postzegel. Kleine kanaaltjes lopen door het plexiglas naar de chip. Onderin ligt een geprint circuitje voor de elektrische aansluitingen. "Dit is mijn lab op een chip," zegt Parikesit. "Als je de aan- en afvoerleidingen aansluit en er elektrische spanning op zet, kun je het geheel onder de microscoop zetten." Op een plaatje in zijn proefschrift is te zien wat er dan gebeurt: in een halfcirkelvormige cel van de chip komen DNA-moleculen met een fluorescent label (een moleculair vlaggetje dat oplicht onder een laser) rechts in de hoek tevoorschijn. Ze maken een wijde bocht naar links en verdwijnen dan aan de andere kant door een van de sleufjes. Het lijkt wel een flipperkast voor moleculen.

De opbouw van de cel doet denken aan die van een massaspectrograaf, een apparaat dat moleculen scheidt op basis van hun massa. Hoe groter de massa, hoe verder de moleculen 'uit de bocht' vliegen en dus hoe meer ze naar links terecht komen. "Dat was hier ook de bedoeling," vertelt Parikesit. Elektroden links en rechts van de halfcirkelvormige kamer moesten de moleculen onderweg afbuigen. Langere moleculen hebben een evenredig grotere lading dan kleinere. Ze ondervinden dus een grotere elektrostatische afbuiging, waardoor ze verder naar links belanden. Dat zou de mogelijkheid bieden om moleculen te scheiden op basis van hun grootte.

DIMES maakte de chip met vier cellen op een vierkante centimeter. Elke cel heeft een straal van een millimeter, het aanvoerkanaal is ongeveer een tiende millimeter breed en slechts een micrometer (duizendste millimeter) diep. Maar toen de cel bleek te lekken, stelde Parikesit voor om de elektroden weg te laten en te kijken of hij toch scheiding van moleculen kon bereiken.

Vreemd genoeg lukte dat ook nog. Een elektrisch veld over in- en uitgang stuwt de vloeistof door de cel heen. De promovendus bracht nauwgezet in kaart hoe moleculen van verschillende grootte door de cel bewogen. "Ik wilde de moleculen op grootte scheiden, maar niemand had dat nog zo gedaan." Hij zag dat zwaardere moleculen, net als in een massaspectrometer, verderop terechtkwamen dan lichtere moleculen. Maar alleen als ze vlak langs de hoek van het ingangskanaal waren gegaan. Op die manier kon hij twee soorten DNA-moleculen (het ene drie keer langer dan het andere) van elkaar scheiden.

Volgens promotor Prof.dr. Yuval Garini (Bar-Ilan universiteit, Israel) heeft Parikesit belangrijk fundamenteel werk verricht. Het idee van een lab-on-a-chip (LoC) is niet nieuw, er zijn er zelfs al in de handel. Maar volgens Garini maakt de kleine schaal Parikesits chip uniek. "De dikte is ongeveer 150 nanometer. Normaal is dat tien tot honderd maal groter." Het voordeel van werken op kleine schaal is dat je voor medische toepassingen maar enkele moleculen nodig zou hebben om een diagnose te stellen.

Het uitsorteren van moleculen gaat nu nog vrij grof, maar het scheidingsprincipe is bewezen. De promovendus oppert zelf een paar manieren waardoor de scheiding nauwkeuriger kan worden: het invoerkanaal kan smaller, je kunt de instroom beter richten of je zet een aantal scheidingscellen achter elkaar. Om te beginnen zitten er al vier op een chip. Garini: "Alle begin is moeilijk, maar als iets eenmaal werkt, is het later makkelijk met een factor tien of meer te verbeteren."

'Nanofluidic elektrokinetics', Gea Oswah Fatah Parikesit. Gepromoveerd bij Prof. Ted Young, Technische Natuurwetenschappen op 14 januari.