Kinderen, grasmaaiers, vliegtuigen, treinen, auto's - zo ongeveer alles maakt geluid. En als twee Californische wetenschappers gelijk hebben, doen levende cellen dat ook. In recente experimenten met behulp van de frontier-wetenschap van nanotechnologie hebben de onderzoekers bewijs gevonden dat gistcellen een soort piep afgeven, terwijl zoogdiercellen een andere kunnen afgeven. Het onderzoek, hoewel nog steeds voorlopig, is potentieel "revolutionair", zoals een wetenschapper het zegt, en een mogelijke, weliswaar verre medische toepassing, wordt al nagestreefd: op een dag gaat het denken, luisteren naar de geluiden die je cellen kunnen vertellen een arts, voordat er symptomen optreden, of u nu gezond bent of ziek wordt.
gerelateerde inhoud
- Kan nanotechnologie levens redden?
De grondlegger van de studie van celgeluiden, of "sonocytology", zoals hij het noemt, is Jim Gimzewski, een 52-jarige chemicus van UCLA die heeft bijgedragen aan de tentoonstelling van een kunstmuseum over moleculaire structuur. Het idee voor celgeluiden kwam in 2001 naar hem toe nadat een medisch onderzoeker hem vertelde dat wanneer levende hartcellen in een petrischaaltje met geschikte voedingsstoffen worden geplaatst, de cellen zullen blijven pulseren. Gimzewski begon zich af te vragen of alle cellen zouden kunnen kloppen, en zo ja, zouden dergelijke kleine trillingen een detecteerbaar geluid produceren. Tenslotte, redeneerde hij, is geluid alleen het resultaat van een kracht die op moleculen duwt, waardoor een drukgolf ontstaat die zich verspreidt en registreert wanneer het het trommelvlies raakt. Hij redeneerde ook dat, hoewel een door een cel gegenereerd geluid niet hoorbaar zou zijn, het door een bijzonder gevoelig instrument zou kunnen worden gedetecteerd.
Gimzewski is zeer geschikt om de vraag aan te pakken, zowel een expert in instrumentatie - hij heeft zijn eigen microscopen gebouwd - als comfortabel thuis in de wereld van het oneindige. Als leider in nanotechnologie, of de wetenschap van het manipuleren van individuele atomen en moleculen om microscopische machines te bouwen, werkte Gimzewski eerder in het onderzoekslaboratorium van IBM in Zürich, Zwitserland, waar hij en zijn collega's een draaiende moleculaire propeller bouwden van 1, 5 nanometer of 0, 0000015 millimeter in diameter. Ze bouwden ook 's werelds kleinste telraam, dat als kralen individuele moleculen had met diameters kleiner dan een enkele nanometer. Als niets anders, toonden de prestaties, die veel lof oogstten, aan dat de veelgehoorde belofte van nanotechnologie een basis had in de realiteit.
Voor zijn eerste studie naar sonocytologie verkreeg Gimzewski gistcellen van biochemische collega's van UCLA. (Hij "zag eruit", herinnert hij zich, toen hij uitlegde waarom hij de cellen wilde.) In samenwerking met afgestudeerde student Andrew Pelling bedacht Gimzewski een manier om te testen op cellulaire ruis met een nanotechnologie-instrument genaamd een atomic force microscope (AFM). Gewoonlijk creëert een AFM een visueel beeld van een cel door zijn zeer kleine sonde te passeren, die zelf zo klein is dat de punt ervan microscopisch is, over het oppervlak van de cel en elke hobbel en holte van zijn buitenmembraan meet. Een computer converteert de gegevens naar een afbeelding. Maar de UCLA-onderzoekers hielden de kleine sonde van de AFM in een vaste positie en lieten hem lichtjes op het oppervlak van een celmembraan rusten "als een recordnaald", zegt Pelling, om eventuele geluid-opwekkende trillingen te detecteren.
Het paar ontdekte dat de celwand drie nanometer omhoog en omlaag gaat (ongeveer 15 koolstofatomen op elkaar gestapeld) en gemiddeld 1000 keer per seconde trilt. De afstand die de celwand aflegt, bepaalt de amplitude of het volume van de geluidsgolf en de snelheid van de op en neer gaande beweging is de frequentie of toonhoogte. Hoewel het volume van het gistcelgeluid veel te laag was om te worden gehoord, zegt Gimzewski dat de frequentie ervan theoretisch binnen het bereik van het menselijk gehoor lag. "Dus we doen alleen het volume harder", voegt hij eraan toe.
Gimzewski (die in zijn UCLA-lab een model van een koolstofmolecuul vasthoudt) gebruikt een atoomkrachtmicroscoop om te 'luisteren' naar levende cellen. (Debra DiPaolo) De frequentie van de gistcellen die de onderzoekers hebben getest, is altijd in hetzelfde hoge bereik geweest, "ongeveer een C-scherp tot D boven de middelste C qua muziek", zegt Pelling. Als alcohol op een gistcel wordt gestrooid om het te doden, verhoogt het de toonhoogte, terwijl dode cellen een laag, rommelend geluid afgeven dat volgens Gimzewski waarschijnlijk het resultaat is van willekeurige atoombewegingen. Het paar vond ook dat gistcellen met genetische mutaties een iets ander geluid maken dan normale gistcellen; dat inzicht heeft de hoop gestimuleerd dat de techniek uiteindelijk zou kunnen worden toegepast bij het diagnosticeren van ziekten zoals kanker, waarvan wordt aangenomen dat het voortkomt uit veranderingen in de genetische samenstelling van cellen. De onderzoekers zijn begonnen met het testen van verschillende soorten zoogdiercellen, waaronder botcellen, die een lagere toonhoogte hebben dan gistcellen. De onderzoekers weten niet waarom.
Weinig wetenschappers zijn op de hoogte van het sonocytologiewerk van Gimzewski en Pelling, dat niet in de wetenschappelijke literatuur is gepubliceerd en onder de loep is genomen. (De onderzoekers hebben hun bevindingen voor publicatie voorgelegd aan een peer-reviewed tijdschrift.) Mond-tot-mondreclame heeft zowel scepsis als bewondering veroorzaakt. Een wetenschapper die bekend is met het onderzoek, Hermann Gaub, voorzitter van de toegepaste natuurkunde aan de LudwigMaximilian University in München, Duitsland, zegt dat de geluiden waarvan Gimzewski gelooft dat cellulaire trillingen van andere oorsprong kunnen zijn. "Als de bron van deze vibratie in de cel zou worden gevonden, zou dit revolutionair, spectaculair en ongelooflijk belangrijk zijn", zegt Gaub. "Er zijn echter veel potentiële [geluids] bronnen buiten de cel die moeten worden uitgesloten." Pelling is het daarmee eens en zegt dat hij en Gimzewski testen doen om de mogelijkheid uit te sluiten dat andere moleculen in de vloeistof die de cellen baadt, of zelfs het puntje van de microscoop zelf, trillingen genereren die hun sonde oppikt.
Ratnesh Lal, een neurowetenschapper en biofysicus aan de Universiteit van Californië in Santa Barbara, die de pulsaties van hartcellen heeft bestudeerd die in een schaal in leven worden gehouden, zegt dat de nanotechnologie-expertise van Gimzewski de sleutel kan zijn om vast te stellen of cellen geluid produceren. "De ultieme hoop is om dit te gebruiken bij diagnostiek en preventie, " zegt Lal, eraan toevoegend: "Als er iemand ter wereld is die het kan, dan kan hij dat."
Gimzewski erkent dat er meer werk moet worden gedaan. Ondertussen hebben de bevindingen de aandacht getrokken van zijn UCLA-collega Michael Teitell, een patholoog die gespecialiseerd is in kanker van de lymfocyten, een type witte bloedcel. Hij onderwerpt spiercellen en botcellen van mens en muis aan medicijnen en chemicaliën om genetische en fysieke veranderingen teweeg te brengen; Gimzewski zal dan proberen te "luisteren" naar de veranderde cellen en ze onderscheiden door hun geluiden.
Teitell zegt dat de gedachte om kanker in de vroegste cellulaire stadia te detecteren opwindend is, maar of de technologie zal werken als een diagnostisch hulpmiddel valt nog te bezien (of gehoord). Hij wil het idee niet overdrijven: "Het zou kunnen blijken dat al deze signalen zo'n mengelmoes zijn dat we de ene niet duidelijk van de andere kunnen identificeren."
Gimzewski hoopt dat het werk een praktische toepassing zal hebben, maar hij is net zo enthousiast over de jacht als de vangst. "Wat de uitkomst ook is", zegt hij, "ik word vooral gedreven door nieuwsgierigheid en opwinding over het fenomeen van cellulaire beweging - wat de natuur inspireerde om een dergelijk mechanisme te creëren en echt diepgaand te begrijpen wat deze mooie geluiden betekenen." Alleen al de mogelijkheid dat hij een nieuw kenmerk van cellen heeft ontdekt, met alle intrigerende vragen die rijzen, is, zegt hij, "al meer dan genoeg van een geschenk."
