Biologische sensoren

Harm van der Veer is masterstudent Biomedical Engineering aan de TU/e, en studeert af binnen de Protein Engineering onderzoeksgroep. Tijdens zijn studie maakte hij deel uit van het 11-koppige studententeam dat de TU/e vertegenwoordigde tijdens de international Genetically Engineered Machine (iGEM) competitie van 2019. Harm bouwt nu voort op het innovatieve project dat dit team neerzette. Dat doet hij binnen een overkoepelend project waaraan ook Eva van Aalen werkt als PhD-studente. Zij is bachelor in medische wetenschappen en technologie en master in Biomedical Engineering en deed eerder onderzoek naar de ontwikkeling van bioluminescente proteïne-sensoren die biomarkers detecteren. Als u geen idee heeft waar dit over gaat, leest u dan vooral verder. Want het gaat om een project dat de detectie van microbiologische ziekteverwekkers en daarmee de diagnose van infectieziekten, zoals Covid-19, veel eenvoudiger gaat maken.

Het begon met een studentencompetitie

In 2019 gingen Harm en Eva met een aantal andere studenten naar Boston voor de Giant Jamboree van de iGEM competitie. Daar presenteerden ze een concept om met de hulp van licht virussen op te sporen. Kort en – veel te – simpel uitgelegd, komt de methode hierop neer: een medium bevat sensor-eiwitten die zo zijn ontworpen dat ze reageren op bepaalde elementen van virussen.  Toevoeging van lichaamsvloeistoffen die deze virusdeeltjes bevatten, veroorzaakt een reactie waarbij de sensor-eiwitten licht gaan geven. En zo wordt de aanwezigheid van het virus aangetoond.

Wie eerder het jaarverslag van het Fonds over 2019 heeft gelezen, zal dit bekend voorkomen: het daarin besproken werk van Professor Maarten Merkx en zijn onderzoeksgroep vormde de basis voor het project van Eva en Harm en hun iGEM teamgenoten. Samen met een aantal andere specialisten van de TU/e doen zij nu onderzoek naar methoden om met behulp van licht ziekteverwekkers van biologische oorsprong te detecteren. Als deel van dit project krijgen zij de kans om hun kennis te vergroten en hun talenten de ruimte te geven. En dat binnen een veld dat aansluit bij hun persoonlijke drijfveren en beeld van hun wetenschappelijke toekomst. In dit duo-interview vertellen zij er meer over.

DNA detectie

“Professor Merkx zag de potentie van ons iGEM project en stelde voor het verder door te ontwikkelen. Het blijkt intussen een nog mooier concept dan we zelf dachten. Het voelt heel bijzonder om aan de basis te staan van een ontwikkeling als deze.”, aldus Harm, die afstudeert op het project en dit werk voortzet voor zijn PhD. Hij praat er vol enthousiasme over. “In essentie bouwen we biologische sensoren’, aldus Harm, ‘sensoren die in dit geval genetisch materiaal (DNA/RNA) kunnen detecteren. Daarmee kunnen we de aanwezigheid van allerlei ziekteverwekkers snel aantonen, zelfs bij lage concentraties. Op dit moment ontwikkelen we zo’n systeem voor toepassing in SARS-CoV-2 diagnostiek.  

Antilichamen meten

Eva houdt zich onder anderen bezig met het ontwikkelen van serologische testen. Zij maakt sensoren die de aanwezigheid van specifieke antilichamen tegen het SARS-CoV-2 virus, de veroorzaker van COVID-19, detecteert. De basis hiervoor is de reactie van ons afweersysteem op een infectie. Die reactie triggert de aanmaak van antilichamen. Het lichaamsvocht van iemand die geïnfecteerd is geweest wordt toegevoegd aan de sensor. Die bevat eiwitten die zijn gemaakt om te reageren met het antilichaam en om vervolgens een bepaald soort licht uit te stralen. De kleur van dit licht vertelt onderzoekers vervolgens of er antilichamen tegen het virus aanwezig zijn en hoeveel dat er zijn. Hiermee kun je dus vaststellen of iemand mogelijk beschermd is tegen een tweede infectie door het virus.

Aan het begin

Eva vertelt over een ander deel van het project: “Met al deze type sensoren staan we best nog aan het begin van wat uiteindelijk een “point-of-care” oplossing moet worden. Dat is een apparaat dat we kunnen inzetten op plaatsen waar mensen zorg ontvangen, bijvoorbeeld bij een huisarts of zelfs bij een patiënt thuis. Voor deze testen heb je een vloeistof uit ons lichaam nodig. Eva: “De concentratie van antilichamen meet je in meestal in bloedplasma, de vloeistof die overblijft als je bloed centrifugeert. Er is een uitdaging bij deze methode: de aanwezigheid van heel veel andere eiwitten in bloedplasma is nadelig voor metingen met onze licht-sensoren. Sommige van deze eiwitten absorberen namelijk licht en dat beïnvloedt de resultaten. Op dit moment zoeken we naar oplossingen voor dit probleem. We zien al veelbelovende resultaten als we bloedplasma verdunnen of een extra kalibratie-stap toevoegen.”

Synthetische biologie

Het werk van Harm en Eva draait om biologische componenten. Om sensoren die gebaseerd zijn op de slimme combinatie van organische onderdelen. Harm onderkent dat dit niet zijn oorspronkelijke beeld van technologie was. “Ik dacht als kind bij die term aan metaal en batterijen en dat soort zaken. Maar ook in de wereld van de moleculaire biologie kun je een apparaat maken, als je de juiste biochemische componenten combineert. In dit geval natuurlijke componenten die veelal door collega’s over een periode van jaren steeds meer zijn aangepast voor dit doel.” Hij omschrijft dat aanpassen als gestuurde-evolutie. “We sturen aan op nuttige mutaties. En sommige daarvan kun je dan misschien gebruiken.

Microfluidische chips

Voor de toepassing van deze sensoren in een Point-of-Care diagnostisch systeem werkt Eva in de onderzoeksgroep van professor Jaap den Toonder aan kleine “devices” waarin de biochemische reactie plaats kan vinden en waarin het licht kan worden uitgelezen. “Nu steken we in op paper-based oplossingen: een stuk papier gedrenkt in eiwitten die met een lichtreactie reageren op de toevoeging van vloeistoffen. Ik wil graag de stap maken naar microfluidische chips. Dat zijn chips die zeer kleine hoeveelheden vloeistof kunnen analyseren. Het bloed ‘kruipt’ dan zelf door de kanaaltjes in de chips dankzij capillaire krachten. (Capillariteit is het vermogen van vloeistoffen om in heel fijne buisjes zonder hulp van externe krachten vooruit te kruipen.) Zo raakt de vloeistof de sensoren en stroomt dan door naar het substraat (de stof die de sensor-eiwitten nodig hebben om licht uit te stralen). Het komt dan in een kamer waar een foto gemaakt kan worden. De kleur die zichtbaar is op de foto geeft ons dan informatie over de hoeveelheid van de stof die we zoeken in de vloeistof, zoals antilichamen, antigenen, RNA of DNA.  Ik vind dat een heel interessant onderwerp, dus na mijn PHD wil ik hier wel aan gaan werken in het bedrijfsleven.

Overal ter wereld inzetten

“Een point-of-care inzet is ons einddoel”, vertelt Harm. “Wij willen een biochemisch systeem, gevat in een klein apparaatje. Draagbaar en in te zetten overal ter wereld. Met een meting op basis van bijvoorbeeld een beetje speeksel of bloedplasma. Op termijn moet deze test zelfs gaan werken met de camera’s van moderne smartphones. Houdbaarheid is dan ook belangrijk. In het lab kunnen we alles natuurlijk mooi controleren en hebben we speciale vriezers, maar je wilt de biologische sensoren natuurlijk liefst ook een tijdje kunnen bewaren op kamertemperatuur. We kijken bijvoorbeeld naar vriesdrogen of het impregneren van papier met onze sensorvloeistof, zoals Eva al vertelde. Dat verhoogt de houdbaarheid enorm.”

Meer leren dan alleen studiestof

Eva is er erg over te spreken dat je op de TU/e de kans krijgt om meer te leren dan alleen de stof die bij je studie hoort. “Je kunt hier heel veel verschillende cursussen doen. Bijvoorbeeld over Integriteit, hoe je je schrijf-skills verbetert en over het verwerken van tegenslagen. En masterstudenten krijgen hier veel kansen om echt goed onderzoek te doen. Ik heb het gevoel dat juist die “buitenschoolse” activiteiten ervoor zorgen dat je jezelf vormt als mens en als wetenschapper. En onderschat ook niet het belang van zoiets simpels als samen koffiedrinken. Zo leer je mensen kennen en doe je nieuwe kennis op.” Ruimte voor groei voor zichzelf ziet ze ook: “Ik wil graag beter leren presenteren en schrijven. Ik weet dat er daarvoor cursussen zijn. Misschien kunnen ze deze nog wat actiever aanbieden.”

Fijn dat het fonds er is

Onderzoek als dit leunt stevig op financiering door het TU/e Fonds. Harm bevestigt dat: “Het fonds zorgt er bijvoorbeeld voor dat wij kunnen beschikken over de benodigde componenten. Het is onze financiering. Een leuk weetje: dit project is, zoals ik al eerder vertelde, ontstaan vanuit een studententeam competitie. En wij konden als team deelnemen dankzij de steun van het fonds. Een mooi voorbeeld van ruimte voor talentontwikkeling. En kijk waar we nu staan; Uit zo’n studentenproject vloeit een sensorsysteem voort. Een systeem met heel veel potentie. “

Steun ook de projecten van de helden van de toekomst. Doneer aan het Universiteitsfonds en laat uw naam vereeuwigen op een bijzonder kunstwerk.