Solid-state nanoporiën: precisiegeneeskunde tot het gaatje

De complexe machines van het Nederlandse ASML worden niet alleen gebruikt voor de meest geavanceerde AI-chips, maar ook voor baanbrekende R&D in de precisiegeneeskunde. 

Wat ik vervelend vind aan vliegreizen? De rij aan de veiligheidscontrole. In het beste geval gaat het vlot en haal ik mijn vlucht. Maar behalve snelheid is precisie cruciaal aan die controlepoortjes. Geen flesje, geen scherp voorwerp mag onopgemerkt passeren. Wat als we, even stelselmatig, molecules uit het menselijk lichaam konden scannen? 

De scanners waar ik het hier over heb, zijn geen kamervullende toestellen, maar piepkleine gaatjes of nanoporiën. Ze fungeren als checkpoints die, molecule per molecule, biomedische data capteren. Door de poriën in een vloeistof te plaatsen en aan te sluiten op elektrodes komt er, telkens wanneer een molecule door het gaatje getrokken wordt, een elektrisch signaal vrij dat in real time gemeten wordt. Deze informatie is nuttig voor virusdetectie of DNA-analyses. 

Eind jaren 80 al begon Hagan Bailey het concept te ontwikkelen aan de universiteit van Oxford. In 2005 werd Oxford Nanopore Technologies opgericht, dat de eerste biologische nanoporiën naar de markt bracht voor DNA-sequencing. Maar voor nieuwe, complexere toepassingen, blijken biologische poriën minder ideaal: ze zijn moeilijk te integreren met elektronica en behalve gevoelig, zijn ze ook fragiel. Eind vorig jaar op IEDM, de chiptechnologiehoogmis in San Francisco, werd door imec-onderzoekers een alternatief voorgesteld: nanoporiën op basis van silicium, het materiaal waarmee ook computerchips ontwikkeld worden. De zogeheten ‘solid-state nanoporiën’ zijn behalve gevoelig ook sterk en chemisch robuust. En: ze zijn prima te verbinden aan andere technologieën, waardoor de verwerkingssnelheid – en het aantal toepassingen - omhoogschiet. 

De chipproductiemethodes blijken dé manier om de sprong te maken naar betaalbare, betrouwbare poriën met een uiterst uniforme diameter. Vandaag lukt het om gaatjes te maken van 10 nanometer (een miljoenste van een cm) Cruciaal ingrediënt daarvoor is extreem ultraviolet licht. Enkel de lithografiemachines van ASML slagen erin om een krachtige straal licht te produceren met de ultrakorte golflengte die nodig is om zo fijn te werken. Lithografie zorgt dus niet enkel voor de volgende generatie AI-chips, maar ook voor de volgende generatie, extreem precieze, medische hulpmiddelen.

Door dergelijke nanoporiën te fabriceren die fors meer moleculaire data op kortere tijd genereren, willen we de geneeskunde in een stroomversnelling brengen. Met name via ‘proteomics’, het onderzoeksveld dat zich richt op eiwitten in ons lichaam. Door die bouwstenen te doorgronden, zullen gepersonaliseerde medicijnen mogelijk en betaalbaar worden. Maar de analyse is vele malen complexer dan bij dna en vergt een doorvoer van miljarden individuele eiwitten tegelijk. Vergelijk het met een groot aantal parallelle checkpoints in het luchthavengebouw, waardoor de rijen als vanzelf oplossen, zelfs op de drukke eerste dag van de krokusvakantie. 

Later deze maand is er weer een conferentie in San Francisco waar nanoporiën talk of the town zijn. Met een custom chip zijn collega’s erin geslaagd om nanoporiën uit te lezen met 256 kanalen tegelijk, aan een hoge bandbreedte en met opvallend weinig ruis. Het toont dat de technologie volop evolueert. Realtime-diagnostiek, betaalbare gepersonaliseerde medicijnen: nanoporiën vormen een cruciaal puzzelstuk om het mogelijk te maken. Dit minigaatje heeft de kracht om onze gezondheidszorg grondig te veranderen.

Deze column verscheen eerder in De Tijd.