Disclaimer: This article was originally written for UKrant / Dutch version below

While others are still battling the coronavirus, biophysicist Martijn Middelkamp is working on combating what’s also called a ‘silent pandemic’: Hepatitis B. He studies the way viruses grow, using one of the strongest microscopes in the world.

With all its wires, electronic bits, and buttons, biophysicist Martijn Middelkamp’s microscope looks very impressive. Not at all like the generic microscope they use in high school biology class. ‘I’m glad I didn’t have to build the whole thing myself’, Middelkamp jokes.

The microscope contains advanced software that enables him to study viruses like the coronavirus down to the smallest detail. Like we said: not your average microscope. 

Capsids

Martijn Middelkamp is a PhD in the molecular biophysics group of Wouter Roos at the Zernike Institute for Advanced Materials. The most important part of ‘his’ microscope is also one of the smallest ones: a little tip that is just a few micrometres wide. More than a million times thinner than a human hair. Ideally, the end of the tip would have the width of just a single atom.

Through daily use, Middelkamp has become adept at operating the microscope. The machine is invaluable to his research into the growth behaviour of capsids: a little ball that covers viruses like a jacket. It’s also called a protein shell.

You can insert medication into the capsid to transport it to a specific location in the body

Knowing how this ball grows can be beneficial to creating medications. ‘Let’s say you find a way to block the growth using a particular molecule or medication’, says Middelkamp. ‘You can then use that to develop medication. But you can also insert medication into the virus capsid to transport it to a specific location in the body.’

Wavelength

Studying the growth of capsids isn’t easy, says Middelkamp. A virus is so incredibly tiny that you can’t even see it with a normal light microscope. ‘You can zoom in pretty far with those’, he says, ‘but at some point, you’ll hit the limit.’

That’s because light consists of wavelenghts. If an object is shorter than a wavelength, you can’t see it. Regular light’s minimal wavelength is a few hundred nanometres, which means it’s impossible to see a virus that’s just a few nanometres wide.

No one’s ever used this microscope like that before

That is, unless you have a High Speed Atomic Force Microscope (HS-AFM), which doesn’t use light to look at an object. Instead, it uses touch.

The fragile tip of the microscope moves across the virus’ growing shell, like a needle moving over a constantly growing microscopic mountain range. ‘Every time the tip encounters some of the virus, the arm attached to the tip bends. A laser measures how far it bends, extrapolating the surface height’, says Middelkamp.  Spikes

Thanks to the AFM, he can even see the small protuberances called spikes on a virus. ‘These spikes are just a single nanometre long. We can see things down to an absurd scale.’ 

Exploring the surface using the AFM has to be done extremely extremely carefully, though. ‘When you’re using the tip to scan a virus, you run the risk of pushing the capsid aside, or whacking it and breaking it’, says Middelkamp. The electronics in the machine ensure that the tip scans as gently as possible.

Interestingly enough, breaking a virus’ shell isn’t always a bad thing. ‘You can also use the microscope to crack open the capsid on purpose. That way, you can study how it falls apart.’ After all, this also leads to valuable information about the virus’ structure.

Middelkamp is currently studying the Hepatitis B virus. He scans the protein’s triangles, pentagons, and hexagons, which together from the virus ball, not unlike the sections of a football. When one piece of protein doesn’t fit right, Middelkamp says, it will detach and ‘look’ for a new place, until the whole protein is stable.

Puzzle

‘It’s not single protein building blocks that do this, but larger conglomerations, like an entire triangle or hexagon all at once.’ Like a jigsaw puzzle solving itself.

‘A virus ball forms in just a few seconds’, Middelkamp explains. ‘In that time, I can record thirty to sixty images of the puzzle process.’ He then puts all these images in order, creating a kind of movie of how a capsid grows. ‘No one’s ever used this microscope like that before.’

Middelkamp studies Hepatitis B because it’s a relatively simple virus, in contrast to, say, Covid-19. It consists of 240 separate puzzle pieces, all made up off the same protein. The Covid-19 capsid consists of at least 2,400 units: ten times as many. The human immunodeficiency virus (HIV) is somewhere in between with a thousand to fifteen hundred pieces, but they consist of two different types of protein.

Simple virus

The principles according to which proteins put themselves together are largely the same, however. As such, it’s smarter if Middelkamp studies a simple virus before moving on to more complex ones. ‘We won’t turn to more complex viruses until we know exactly how the shell of a simple virus is constructed’, he says.

That is his first goal: to get a good overview of all the different puzzle pieces. After that, it will get harder; he’ll be trying to influence the growth process. ‘I’ll be changing the characteristics of the liquid that contains the protein.’

Covid-19 is infinitesimal, but it’s impacted the entire world

If he designs the right circumstance, the proteins will grow into a structure like the capsid. If he doesn’t, nothing will happen. ‘Not all methods are similarly efficient. In some cases, the puzzle steps will take longer.’ 

Fascinated

The knowledge he’s gaining is essential if he ever wants to develop nanomaterials using capsids. Protein-based nanomaterials are tissue-friendly, which means they can be used in medical science.

But that’s not the most important aspect to Middelkamp. He’s mainly fascinated by the tiny things he’s already working with. ‘I’m constantly amazed that we’re able to see individual molecules, and that we’re able to work with them. I’m amazed by how those molecules affect our daily lives.’ Like the coronavirus, for example: ‘It’s infinitesimal, but it’s impacted the entire world.’

---

Kraak het virus: inzoomen tot op de nanometer

Terwijl de strijd tegen corona nog volop bezig is, werkt biofysicus Martijn Middelkamp aan de bestrijding van wat een ‘stille pandemie’ wordt genoemd: hepatitis B. Hij onderzoekt de groei van virussen met een van de sterkste microscopen ter wereld.

De microscoop van biofysicus Martijn Middelkamp ziet er indrukwekkend uit met zijn draadjes, elektronische onderdelen en knopjes. Heel wat anders dan de huis-tuin-en-keukenmicroscopen van de biologieles op de middelbare school. ‘Gelukkig hoefde ik dit systeem niet zelf van de grond af op te zetten’, grapt Middelkamp.

De microscoop bevat een geavanceerd stukje software dat hem in staat stelt om virussen zoals het coronavirus, tot in het kleinste detail te bekijken. Geen apparaat dat iedereen in zijn woonkamer heeft staan dus. 

Capsiden

Martijn Middelkamp is promovendus in de moleculaire biofysicagroep van Wouter Roos aan het Zernike Institute for Advanced Materials. Het belangrijkste onderdeel van ‘zijn’ microscoop is superklein: een pennetje of ‘tip’ van een paar micrometer – miljoenen keren dunner dan een haar. In het ideale scenario is het uiteinde van die tip zelfs maar één atoom dik.

Voor hem is het werken met de microscoop tegenwoordig dagelijkse kost. Het apparaat is namelijk onmisbaar bij zijn zoektocht naar de groei van capsiden: een soort balletje dat als een jas om een virus heen zit. Niet voor niets wordt het balletje ook wel eiwitmantel genoemd.

Je kunt een medicijn in een viruscapside naar een plek in het lichaam brengen

Weten hoe dat balletje groeit, is handig voor medicijnontwikkeling. ‘Als je bijvoorbeeld een manier vindt om de groei te blokkeren met een bepaald molecuul of medicijn’, zegt Middelkamp, ‘dan kun je daarmee een medicijn ontwikkelen. Maar je kunt het viruscapside ook gebruiken om een medicijn in te stoppen en naar een specifieke plek in het lichaam te brengen.’

Golflengte

Het is niet makkelijk om de groei van het capside te bekijken, vertelt Middelkamp. Een virus is zo verschrikkelijk klein dat je het niet eens kunt zien op een normale microscoop, die met gewoon licht werkt. ‘Je kunt best ver inzoomen’, zegt hij, ‘maar op een gegeven moment bereik je een grens.’

Dat komt omdat licht bestaat uit golven. En die golven hebben een bepaalde lengte. Is een voorwerp korter dan die golf, dan kun je het niet zien. En omdat gewoon licht een minimale golflengte van een paar honderd nanometer heeft, kun je een virus dat slechts enkele nanometers groot is, onmogelijk waarnemen.

Tenzij je de High Speed Atomic Force Microscope (HS-AFM) inzet, want die gebruikt geen licht om een voorwerp te bestuderen, maar tast.

Dit is nog niet eerder gedaan met zo’n microscoop

De fragiele tip van de microscoop glijdt over de groeiende verpakking van het virus, als een naald die over een steeds groeiend minigebergte schuift. ‘Steeds als de punt een  onderdeel van het virus tegenkomt, buigt het armpje waaraan de punt zit door. Een laser meet de doorbuiging, en daaruit wordt de hoogte van het oppervlak afgeleid’, zegt Middelkamp.  

Spikes

Dankzij de AFM kan hij zelfs kleine uitsteeksels op een virus, de zogenaamde spikes, waarnemen. ‘En die spikes zijn maar één nanometer hoog. We kunnen dus echt op absurde schaal dingen bekijken.’ 

Maar het aftasten moet dan wel héél voorzichtig gebeuren. ‘Als je met de punt over zo’n virus heen scant, dan kun je het capside naar de zijkant drukken, of erop tikken en hem kapot maken’, zegt Middelkamp. En dus zorgt elektronica in het apparaat ervoor dat het tikken zo zacht mogelijk gebeurt.

Overigens is het niet altijd slecht dat de virusverpakking kapot gaat. ’Je kunt de virusverpakking ook expres kapot tikken met de microscoop. Dan kun je het uiteenvallen direct bekijken.’ Ook dat levert nuttige informatie op over de structuur van het virus.

Op dit moment ligt het hepatitis B-virus onder Middelkamps microscoop. Hij tast de driehoeken, vijfhoeken en zeshoeken van het eiwit af die, als de lapjes van een voetbal, samen het virusballetje vormen. Als een stukje eiwit niet goed past, weet Middelkamp, dan laat het weer los, waarna het een nieuwe plek ‘uitzoekt’, net zolang totdat het stabiel is. 

Puzzel

‘Dat gaat niet per losse eiwitbouwsteen, maar in grotere gedeelten: bijvoorbeeld in één keer zo’n driehoek of zeshoek.’ Als een puzzel die zichzelf legt.

‘Het vormen van één zo’n virusballetje duurt maar een paar seconden’, legt Middelkamp uit. ‘In die tijd kan ik dertig tot zestig plaatjes van het puzzelproces maken.’ Vervolgens plakt hij de plaatjes achter elkaar, zodat er eigenlijk een video ontstaat van de groei van de capside. ‘Dat is nog niet eerder gedaan met zo’n microscoop.’

Middelkamp kijkt naar hepatitis B omdat het een vrij simpel virus is, In tegenstelling tot covid-19 (om maar eens een virus te noemen). Het bestaat uit 240 losse puzzelstukjes, allemaal gemaakt van hetzelfde eiwit. Het capside van het covid-19 bestaat uit minstens 2400 eenheden: tien keer zoveel, dus. HIV zit daar ergens tussenin met duizend tot vijftienhonderd stukjes, maar die bestaan uit twee soorten eiwit.

Simpel virus

De principes die de eiwitten volgen om zichzelf in elkaar te puzzelen, zijn wel grotendeels hetzelfde. En dus is het slimmer voor Middelkamp om eerst een eenvoudig virus te bestuderen, dan een complexe variant. ‘Pas als we precíes weten hoe de opbouw van de verpakking bij een simpel virus gaat, zijn de complexere soorten aan de beurt’, zegt hij.

Voorlopig is dat zijn eerste doel: alle verschillende puzzelstukjes goed in beeld krijgen. Daarna wordt het moeilijker, dan gaat hij het groeiproces proberen te beïnvloeden. ‘Dan verander ik de eigenschappen van de vloeistof waarin het eiwit zit.’

Het is superklein, maar het beïnvloedt de hele wereld

Kiest hij de goede omstandigheden, dan groeien de eiwitten uit tot een structuur zoals het capside. Anders zal de groei uitblijven. ‘Niet alle methoden zijn even efficiënt. In sommige gevallen duurt het langer om alle puzzelstapjes te maken.’ 

Gefascineerd

De kennis die hij zo opbouwt is essentieel als je met capsiden nanomaterialen wilt ontwikkelen. Nanomaterialen op basis van eiwitten zijn namelijk lichaamsvriendelijk en daardoor goed te gebruiken in de medische wetenschap.

Maar dat is voor Middelkamp niet het belangrijkste. Hij is vooral gefascineerd door de kleine dingen waarmee hij nu al werkt. ‘Het blijft mij verbazen dat we in staat zijn om individuele moleculen te bekijken en daarmee te kunnen werken. En hoe die moleculen een rol spelen in het dagelijks leven.’ Zoals het coronavirus: ‘Het is superklein, maar het beïnvloedt de hele wereld.’