Wetenschappers hebben een apparaatje met levende cellen ontwikkeld dat buiten het laboratorium ziekmakers kan opsporen, zoals cholera in drinkwater. Om dat voor elkaar te krijgen ‘printte’ het team levende cellen op papier. Het apparaat is gemakkelijk te bedienen, zodat het gebruik ervan geen specialist vereist.

Cellulaire apparaatjes kunnen zonder elektriciteit stoffen en ziekmakers detecteren, bijvoorbeeld cholera in besmet water. ‘In gebieden met een risico op cholera is er vaak geen toegang tot een laboratorium of een specialist’, zegt onderzoeker in synthetische biologie Sira Mogas-Díez van de Universiteit Pompeu Fabra in Barcelona, Spanje. ‘Daarom was ons idee om een nieuwe methode te ontwikkelen waarmee we levende technologie buiten het laboratorium in de praktijk kunnen gebruiken.’

Tot nu toe functioneerden cellulaire apparaten slechts voor een korte duur en onder specifieke omstandigheden in een laboratorium. Alleen een specialist in de moleculaire biologie kon het apparaat gebruiken. Het team van Mogas-Díez heeft nu een nieuw soort cellulaire apparaten ontwikkeld, die iedereen buiten het lab kan gebruiken en die bovendien eenvoudig te ‘printen’ zijn op papier. In de koelkast of vriezer blijven ze lang houdbaar.

Een van de ontwikkelde ontwerpen detecteert kwik. Anders dan bestaande systemen voert het cellulaire apparaat niet alleen een aanwezigheidstest uit, maar kan het een schatting laten zien van de concentratie van kwik. Afhankelijk van de hoeveelheid aanwezige kwik, verschijnen meer of minder stippen op een papierstrip die met het blote oog te tellen zijn.

Met een stempel maakten de onderzoekers eenvoudig cellulaire apparaatjes. Beeld: UPF/Nature Communications

Logisch

Het apparaat reageert op verschillende combinaties van biologische toestanden, zogenoemde biomarkers. Wanneer een bepaalde biomarker in aanraking komt met het papier, ontstaan er reacties bij groepjes cellen.

De onderzoekers gebruiken verschillende typen cellen als ‘inkt’ om de schakelingen te ‘tekenen’. De cellen blijven gevangen in het papier, levend en functionerend. Vanuit daar geven ze biologische signalen af die andere cellen bereiken via het papier, zodat er bijvoorbeeld een stip op het papier verschijnt.

Bij deze nieuwe techniek is elk deel van het apparaatje een groepje cellen. De onderdelen variëren niet, maar door de compositie en volgorde op papier te veranderen kun je cellulaire apparaatjes bouwen met verschillende functionaliteiten. ‘Dus de volgorde van de cellen is de software, de cellen zelf de hardware, en het papier de fysieke ondergrond die de cellen herbergt’, illustreert natuurkundige Javier Macía, collega van Mogas-Díez.

Doordat verschillende componenten de signalen versterken of juist verminderen, voert het apparaatje zelfs logische bewerkingen uit, zoals: ‘als de concentratie hoog genoeg is, dan laat ik een stipje zien’ of ‘ik reageer als de ene óf de andere stof aanwezig is’.

Een schematisch voorbeeld geeft weer hoe het cellulaire apparaatje antwoord kan geven of de stof x1 wel (1) of niet (0) aanwezig is. Bron: Nature Communications

Boekdrukkunst

Hoewel de onderzoekers spreken van een ‘printtechniek’, moet je je niet voorstellen dat deze apparaatjes echt uit een printer komen rollen, zegt onderzoeker in orgaan-op-chiptechnologie Berend van Meer van het Leids Universitair Medisch Centrum en Universiteit Twente, die niet betrokken was bij het onderzoek. ‘Ze gebruiken een soort stempeltechniek, net als met de oude boekdrukkunst. Voor een hoge oplage van één enkel ontwerp werkt de stempeltechniek prima, met veel potentie.’

Ook ziet Van Meer potentie in de toepassingen door de unieke combinatie van goedkoop papier als ondergrond en de houdbaarheid. ‘Bij levend materiaal moet je goed nadenken over de stabiliteit. Deze cellulaire apparaten zijn in de koelkast houdbaar, wat praktisch is voor de industrie.’ Met papier als ondergrond is het ook makkelijk aan te passen en geschikt om grote hoeveelheden te produceren. Van Meer: ‘Vroeger had je een heel gebouw nodig voor simpele berekeningen. Dit kleine papiertje met cellen kan al vergelijkbare opdrachten uitvoeren. Deze studie laat zien dat we de logica van computers kunnen gebruiken op een biologisch apparaat waar je geen elektriciteit voor nodig hebt.’

special doorbraken
LEESTIP: In deze special blikken we terug op de belangrijkste wetenschappelijke doorbraken van 2010 tot 2020. Verkrijgbaar in onze shop.