Door flink te sleutelen aan labapparatuur is een groep scheikundigen erin geslaagd om afzonderlijke moleculen te wegen met ongekende nauwkeurigheid. Die precisie is vergelijkbaar met het verschil in gewicht wanneer je één suikerkristalletje toevoegt aan een pak suiker van een kilogram. Die extra nauwkeurigheid kan van pas komen bij de productie van vaccins en gentherapie. Het team publiceerde hun resultaten op 5 maart in het vakblad Nature Methods.
Een team chemici, geleid door prof. dr. Albert Heck, geven een nieuwe slinger aan het analyseren en begrijpen van moleculen. Door slimme aanpassingen te doen aan de bestaande meetapparatuur konden ze afzonderlijke moleculen veel langer in bedwang houden en observeren. Dankzij die duizendmaal langere observatietijd konden ze moleculen gedetailleerder bestuderen en meer achterhalen over de samenstelling daarvan.
Deze precisie komt overeen met het kunnen meten van een massaverschil van één op een miljoen. Heck vergelijkt het met een pak suiker. “De nauwkeurigheid is net zo groot als wanneer je zou kunnen meten dat je één suikerkristalletje toevoegt aan een pak suiker van 1 kilogram.”
Vertekend beeld
Van oudsher meten scheikundigen de opbouw en samenstelling van moleculen met een techniek genaamd massaspectrometrie. Daarmee kunnen ze al flink nauwkeurig de massa van moleculen in kaart brengen, maar een keerzijde is dat deze techniek altijd zeer veel moleculen tegelijkertijd doorlicht – ettelijke miljoenen. Dat maakt het lastig om grote moleculen te analyseren, te analyseren, omdat die in een meetopstelling op elkaar inwerken. Dat geeft een vertekend beeld van hoe ze daadwerkelijk in elkaar steken.
Duizendmaal langer
Daarom ontwikkelden chemici een nieuwe methode waarbij afzonderlijke moleculen gevangen worden gezet in een ‘cel’ waarin ze supersnel ronddraaien. Die cel zit in een apparaat genaamd Orbitrap. Door zeer lang te meten hoe het molecuul ronddraait, kunnen onderzoekers precies afleiden wat de massa en samenstelling ervan is.
Normaal gesproken kun je met deze methode maar zeer kort moleculen doorlichten, doorgaans slechts 25 milliseconden. Heck en collega’s bedachten een manier om meetgegevens, buiten het apparaat om, sneller en beter te verwerken. Daardoor konden ze de afzonderlijke moleculen duizend keer langer doorlichten, en de analysetijd opkrikken tot 25 seconden.
Langdurig schommelen
Om te kunnen plaatsen wat deze vooruitgang inhoudt, kun je het vergelijken met het schommelen op een schommel. Stel je voor dat je op een schommel zit en heen en weer gaat. Hoe langer je schommelt, hoe nauwkeuriger iemand anders kan vaststellen hoe met welke regelmatigheid periodiciteit je schommelt, en wat dat over jou zegt. Op dezelfde manier kunnen chemici meer te weten komen over moleculen als ze die voor een langere tijd kunnen bestuderen. Door het ronddraaien langer te bestuderen, kunnen ze veel gedetailleerder vaststellen wat de draaifrequentie van het molecuul is, en daaruit afleiden hoe het molecuul is opgebouwd.
Gentherapie verbeteren
Dat het nu mogelijk is om grote moleculen met zoveel precisie te meten, is goed nieuws op allerlei vlakken, zegt Heck. Een voorbeeld is de productie van medisch toepasbare macromoleculen, zoals virussen die worden gebruikt in gentherapie. Deze virussen worden uitgerust met een menselijk gen dat foutieve genen vervangt in het DNA van patiënten met een genetische aandoening.
De nieuwe methode kan ontwikkelaars van gentherapieën helpen om hun productie nauwkeuriger en efficiënter te maken.
Heck: “Tot nu toe kunnen ontwikkelaars van gentherapievirussen niet gemakkelijk meten of een virus ook daadwerkelijk het gen bevat dat het moet afleveren. Met de huidige productiemethoden lukt het waarschijnlijk om hooguit slechts 1 tot 2 procent van de gentherapievirussen uit te rusten met het gewenste gen. Dit kan betekenen dat een deel van de therapeutische virussen die bij een patiënt worden ingebracht, geen enkel effect heeft.”
Nauwkeuriger en efficiënter
Het verschil tussen een ‘leeg’ en een ‘gevuld’ virusmolecuul is moeilijk te meten met de standaard meetapparatuur. Maar als ontwikkelaars van gentherapie dat verschil wel kunnen meten, dan kunnen ze hun productielijnen efficiënter maken. Heck wijst erop dat sommige gentherapietrajecten al gauw 1 miljoen euro per behandeling kosten, en dat efficiëntere productie dus ook aanzienlijke positieve gevolgen kan hebben.
Samenwerking
In dit onderzoek werkte Hecks team nauw samen met onderzoekers van de technologiebedrijven Spectroswiss en Thermo Fisher Scientific. De studie werd deels gefinancierd met de Spinozapremie die Heck ontving van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). De Spinozapremie geldt als de hoogste academische onderscheiding in Nederland.
