[in]onderzoek. Ingenieurs in de biologie. Jos Wassink. Tegen de heersende trend in heeft de nieuwe afdeling bionanoscience van

Transcriptie

1 Ingenieurs in de biologie Tegen de heersende trend in heeft de nieuwe afdeling bionanoscience van professor Cees Dekker (Technische Natuurwetenschappen) de afgelopen maanden toponderzoekers aangetrokken voor een breed onderzoek naar de werking van levende cellen. Jos Wassink Foto montages: Sam Rentmeester/fmax Cees Dekker: 'Biologie biedt steeds meer kansen voor engineering.' 20

2 Is bionanoscience een nieuwe wetenschap? De spannendste ontwikkelingen spelen zich vaak af op het grensvlak van wetenschappen. In dit geval tussen nanotechnologie, die ons middelen biedt om op moleculaire schaal te kunnen meten en controleren, en biologie, waaraan we de componenten van levende cellen ontlenen die we bestuderen. Waar komt het idee voor bionanoscience vandaan? Met mijn groep werkte ik eind jaren negentig aan moleculaire natuurkunde van levenloze materialen, zoals koolstofnanobuisjes. Maar met de nanotechnieken die we daarvoor ontwikkelden konden we veel meer: zoals biologie bestuderen. Tegelijkertijd werd biologie in het afgelopen decennium steeds meer een exacte wetenschap. Biologie biedt, na eeuwen van vooral observaties, steeds meer mogelijkheden voor engineering. Samen met collega professor Nynke Dekker heb ik tweeënhalf jaar geleden, nog ruim voor de crisis, het college van bestuur (cvb) benaderd met de suggestie om meer aandacht te geven aan biologie. Ik acht dit van cruciaal strategisch belang voor de TU. Dankzij de positieve beslissing van het cvb en de steun van het Kavli instituut is zo de afdeling bionanoscience ontstaan. De afdeling wordt opgebouwd vanuit de biofysicagroep die tien jaar geleden begonnen is. Wat voor onderzoek kunnen we hier verwachten? We laten onze nanotechnologie, ons enkelmolecuul instrumentarium bijvoorbeeld, los op biologische moleculen. Daarmee kunnen we eiwitten of dnastrengen vastpakken, eraan trekken, de krachten meten enzovoorts. Veel van dat werk gebeurt nu nog met geïsoleerde moleculen in vitro (buiten de cel, red). Dat geeft een idee van hoe de moleculen functioneren. Maar de volgende stap zijn metingen aan moleculen in hun natuurlijke omgeving van de levende cel. We willen het hele spectrum bestrijken van nanotechnieken tot de biologie van de cel. Wat is het verschil met biotechnologie? Een biotechnoloog daalt af van een complex systeem dat een gistcel of een bacterie is. Bottom up ingenieurs ontwerpen een systeem waarmee ze bijvoorbeeld een klein genetisch netwerkje van twee genen kunnen inbouwen in een cel. Je kunt dan de samenhang hiervan bestuderen en nieuwe functies verzinnen en bouwen. Een ingenieur heeft een andere benadering van de biologie; die denkt in termen van cellulaire regeltechniek. Ook brengt de nanotechnologie en biofysica-achtergrond een andere benadering met zich mee dan die je meestal aantreft bij biotechnologen. Wat valt er allemaal binnen het onderzoeksveld? Dat is heel breed en het loopt van onderzoek aan afzonderlijke moleculen tot aan celbiologie en toepassingen zoals biosensors en lab-on-achip analyse. We zoeken celbiologen die willen samenwerken met nanofysici, en biofysici die met biologen willen praten. Het gaat om de synergie binnen de afdeling. We willen hier iets nieuws opzetten voor de eenentwintigste eeuw. Op Europees niveau streven we naar een leidende positie op het grensgebied van nanofysica en moleculaire biologie. Daar heb je 15 tot 25 wetenschappelijk medewerkers voor nodig. Een afdeling is daarvoor een geschikte grootte. Het valt op dat u vooral fundamenteel wetenschappelijk onderzoek noemt. Moet u niet valoriseren? We hebben hier de vrijheid van onderzoek. Daar is de universiteit voor bedoeld. Fundamenteel onderzoek spreekt mij persoonlijk het meeste aan. In het spectrum van onze nieuwe afdeling zal toegepast gericht onderzoek uiteraard een plek hebben. In eerste aanzet is het meeste onderzoek fundamenteel, maar dat zal op termijn onherroepelijk tot nieuwe toepassingen leiden, bijvoorbeeld in de gezondheidszorg. Een voorbeeld is het onderzoek van Nynke Dekker naar de werking van het geneesmiddel topotecan. Dit is in gebruik als chemotherapie voor kankerpatiënten, maar geen mens weet hoe het werkt. Nynke kan laten zien hoe een molecuul topotecan zich tussen het eiwit topoisomerase wurmt en zo voorkomt dat het eiwit de kronkels uit het dna haalt om het uit te lezen. Nynke heeft voor fundamenteel begrip gezorgd door te laten zien hoe topotecan het eiwit blokkeert. Wat is de meest fundamentele vraag van het onderzoek hier? Wat is leven, biologisch gesproken? Hoe werkt een levende cel? Ondanks de voortgang in de biologie zijn er nog vele witte plekken op de kaart. Op ieder van die plekken zou je zo vijf wetenschappers kwijt kunnen. >> ceesdekkerlab.tudelft.nl 21

3 Oorsprong van het leven Illustratie: Christoph Danelon Over vijf jaar wil Christophe Danelon zijn eerste kunstmatige cel presenteren. Zijn kamer in het gebouw voor Technische Natuurkunde is fris geverfd en vrijwel leeg. Hij formuleert zorgvuldig in een Engels waar het Frans doorheen klinkt. Dr. Christophe Danelon (33) is na eerdere betrekkingen aan de universiteiten van Toulouse en Lausanne in Delft neergestreken. Hij vindt het opwindend om deel uit te maken van zo n nieuwe afdeling waar mensen een reputatie hebben op het gebied van de fysica van biologische moleculen en waar expertise aanwezig is over microscopie en spectroscopie. Het lijkt hem een goede omgeving voor zijn grote project: de oorsprong van het leven ontrafelen. De meeste publicaties van Danelon uit de afgelopen jaren gaan over ionenkanalen. Dat zijn eiwitten op membranen van levende cellen, legt hij uit. Ze zijn van groot belang voor het regelen van ionenstromen, het binnenlaten van voedsel en het uitscheiden van afvalproducten. Met zijn komst naar Delft, neemt het onderzoek van Danelon 'een kleine wending'. Hij gaat namelijk op zoek naar de oorsprong van het leven. Het is goed om flinke ambities te hebben en om grote vragen te stellen. Zelfs een kleine vooruitgang op dit gebied is al een hele prestatie, licht de bescheiden Fransman toe. Over vijf jaar wil Danelon zijn eerste kunstmatige cel presenteren. Een cel die voedsel gebruikt om in zijn energie te voorzien, die zichzelf kan voortplanten en die in staat is te evolueren. De belangrijkste vraag voor Danelon is hoe een Het is goed om grote vragen te stellen set complexe biochemische moleculen dicht genoeg bij elkaar blijft om te kunnen repliceren. Omgeven door water drijven de moleculen al snel uiteen. Misschien kunnen bepaalde mineralen een rol spelen bij de binding, misschien is ook een tweede membraan nodig dat de cellen bijeen houdt. Daar moet straks na vijf jaar onderzoek meer over bekend zijn. De achterliggende vraag, die naar de moleculaire oorsprong van het leven, is groot genoeg om hem zijn leven lang bezig te houden, schat Danelon. Naast dit fundamentele onderzoek werkt Danelon mee aan het gebruik van liposomen (vetomhulsels) voor medicatie. Medicijnen die omgeven zijn door een liposomenmantel kunnen onopgemerkt door het lichaam bewegen. Door ze te voorzien van een antilichaam zouden de medicijnenbuideltjes zich aan een specifiek weefsel kunnen hechten. Vervolgens zou er een mechanisme in werking moeten treden dat de inhoud vrijmaakt uit het omhulsel. Het kan een manier zijn om medicijnen via de bloedbaan in de hersenen te krijgen. christophedanelonlab.tudelft.nl 22

4 Zicht op de kern Als je dr. David Grünwald naar zijn specialisme vraagt, zegt hij: De afbeelding van moleculen binnen de kern van een levende cel. Het duurt even voordat de betekenis van dit simpele zinnetje doordringt. Hoezo, moleculen zien met een optische microscoop? Daar zijn ze toch te klein voor? Moleculen zien binnen een levende cel, dus je kunt allerlei levensprocessen live zien gebeuren? Het blijkt te kunnen. Grünwald heeft zo vastgesteld dat het tweehonderd milliseconden duurt voordat een RNA-molecuul zich door de kernwand naar buiten heeft gewurmd en dat een gemiddeld eiwit in vijf tot tien milliseconden naar binnen is. Het mooist was nog te zien hoe een RNA-molecuul de ene na de andere kernporie probeerde. Dan bleef het ergens een seconde hangen en ging weer verder. Totdat het bij een porie kwam die het doorliet. Grünwald (34) kan fascinerend vertellen over een wereld die hij als een van de weinigen zichtbaar kan maken: het levende complex van een cel. Na een jaar rechtenstudie in Frankfurt ( Ik wilde iets goeds doen voor de mensheid, maar rechten studeren ging slecht met dyslexie. ) kwam hij via natuurkunde in aanraking met biofysica. Hoe werkt het leven? Niet alleen als beschrijving, maar in kwantitatieve zin. Hoe werkt een cel en welke principes houden het leven aan de gang? Die vragen hebben me gegrepen en nooit meer losgelaten. Sindsdien speelt zijn glanzende wetenschappelijke carrière zich af aan instituten voor biofysica, biochemie, moleculaire biologie en geneeskunde. Na vier jaar onderzoek als postdoc aan het Albert Einstein College of Medicine in New York vindt Grünwald het weer tijd voor fysica. In een laboratorium bouwt hij met hulp van technici en promovendi een eigen microscoop die speciaal geschikt is om afzonderlijke moleculen te kunnen volgen. Cruciaal daarbij is de Hoe werkt het leven? maximale lichtopbrengst. Met die microscoop, eigenlijk een open opstelling met lasers, een lichtsterk objectief, een kleurenscheidende spiegel en twee hoog gevoelige camera s, wil hij de interactie tussen verschillende moleculen tot op 30 nanometer precies kunnen vastleggen. Zo is met verschillende fluorescentielabels zichtbaar te maken of bijvoorbeeld een virus door de kernporie dringt. Of, ander voorbeeld, waar een geneesmiddel zich aan bindt en hoe dat de gang van zaken in de cel beïnvloedt. Dat gebeurt allemaal in milliseconden. Die processen spelen zich af in al onze cellen. We zien dat allemaal gebeuren. Niet aan de rand van de cel, maar echt in de kern. davidgrunwaldlab.tudelft.nl David Grünwald maakt biologische processen live zichtbaar. 23

5 Lagen van complexiteit Zijn aha-moment beleefde prof.dr.ir. Sander Tans vlak na zijn promotie in Hij schreef rond die tijd samen met toenmalig promotor Cees Dekker verschillende publicaties in topbladen als Science en Nature over de elektrische geleiding van enkele koolstofnanobuisjes. We konden de stroom door afzonderlijke moleculen meten. Dat was fantastisch! Maar met de nanotools die we ontwikkeld hadden, konden we ook andere dingen doen. Ze gunden ons een blik op biologische processen, die stuk voor stuk heel wat complexer zijn dan wat wij voor elkaar kregen. Motoreiwitten bijvoorbeeld die dna repareren, of langs een speciaal spoor in de cel heen en weer lopen. In complexiteit zijn ze vergelijkbaar met motoren die mensen maken, maar dan op nanometerschaal. Als je dat voor het eerst ziet denk je: Wow! Hoe kan dat? Het was het begin van Tans keuze voor de biofysica, een vak dat hij beoefent als groepsleider van het biofysica laboratorium van het FOM-instituut Amolf (atoom- en molecuulfysica) in Amsterdam, en sinds 1 januari ook als deeltijdhoogleraar bij de nieuwe TNW-afdeling bio-nanoscience. De natuurkundige blik op biologische onderwerpen is zijn specialisme geworden. Zijn onderzoeksterrein strekt zich uit vanaf afzonderlijke moleculen tot aan het niveau van cellen en de evolutie daarvan. Het is Tans ambitie om een bijdrage te leveren aan een meer kwantitatieve biologie; een wetenschap die gebaseerd is op testbare hypotheses, experimenten en voorspelbare resultaten. Als voorbeeld noemt Tans zijn recente onderzoek naar de mechanismen van evolutie. In dit onderzoek werd een populatie van bacteriën een nieuwe manier aangeleerd om te reageren op antibiotica, door middel van evolutie tijdens zo n honderd generaties. De onderzoekers lieten zien dat bacteriën zich hadden aangepast aan een wisselende omgeving die soms wel, en soms geen antibiotica bevatte, door een combinatie van toevallige mutaties en Darwiniaanse selectie. Het evolutionair aanleren van een reactie, is Hoe evolueert complexiteit? nog nooit eerder gelukt, aldus Tans. Tegelijk hebben we getoond waar dit succes precies vanaf hangt. Het laat zien dat je een proces pas echt begrijpt als je het kunt reproduceren. Tans vervolgonderzoek gaat in de richting van de evolutie van complexe eigenschappen. Bij de meeste biologische processen zijn meerdere eiwitten betrokken. Hoe veranderen die onder evolutionaire druk? Of zoals Tans zegt: Hoe evolueert complexiteit? En kunnen we daaruit misschien eenvoudige basisprincipes destilleren? Het is de oude hoop van de natuurkundige dat de chaotische en complexe werkelijkheid na voldoende studie haar onderliggende logica zal prijsgeven. Die droom is in de natuurkunde zelf overigens nooit volledig bewaarheid geworden. tansgroup.amolf.nl Credits: Sander Tans & Graham Johnson 2007 Sander Tans kijkt met een natuurkundige blik naar biologische processen. 24

6 Experimenteren met evolutie Bertus Beaumont: "Heel soms maar leidt een verandering tot een verbetering. Dat is evolutie." Stel je voor dat je oog in oog komt te staan met een verre voorouder. In een gevecht om wie de sterkste is. Aan het woord is evolutionair bioloog dr. Bertus Beaumont. Hij bedrijft experimentele evolutie met bacteriën. Met bacteriën kun je dat doen. Ik bewaar een suspensie met bacteriën in een vriezer en laat de rest door evolueren. Soms wel acht generaties op een dag. Na een paar honderd generaties kan ik de bacteriën vergelijken met hun verre voorouders. Bertus Beaumont (36) promoveerde in 2004 als moleculair bioloog aan de Vrije Universiteit van Amsterdam. Hij werkte als postdoc aan de universiteit van Auckland en met een NWO Veni-beurs onder professor Brakefield aan de Universiteit Leiden. Wat we weten van evolutie, weten we door vergelijkend onderzoek, stelt Beaumont. Vergelijkingen tussen fossielen onderling, tussen fossielen en huidige levensvormen en tussen huidige soorten onderling. Zo is de hele evolutietheorie tot stand gekomen op basis van vergelijkende observaties. Maar de wetenschap doet ook graag experimenten om hypothesen te testen. En dat is met de huidige techniek mogelijk, hoewel de noodzakelijke opeenvolging van generaties nog steeds noopt tot geduld en toewijding. In het langstlopende experiment van Beaumont ging het om vijfhonderd generaties. In menselijke termen zou dat vijftienduizend jaar zijn, middenin de laatste IJstijd. Het gaat mij er niet om te laten zien dat bacteriën zich aanpassen aan veranderende omstandigheden, zegt Beaumont. Dat is geen nieuws. Maar hoe precies kan zo n complexe machinerie Soms wel acht generaties op een dag als een bacterie zich aanpassen door toevallige veranderingen in het dna? Dát is de vraag. Het dna van de bacterie in het onderzoek heeft zes miljoen genetische letters. Bij iedere deling wordt het dna gekopieerd waarbij er een kans van één op tienduizend is op een verschrijving. De meeste mutaties (een verandering in het dna) blijven zonder gevolgen, legt Beaumont uit. Sommige zorgen ervoor dat een bacterie minder snel groeit, zodat die mutatie op den duur uitsterft. En heel soms groeit een bacterie toevallig sneller waardoor op den duur de hele populatie die eigenschap zal hebben. Dan ben je één stapje geëvolueerd, vat Beaumont samen. In Delft zal hij aan de slag gaan met onderzoek naar de evolutie van zweepstaartjes ( flagella ). Een flagellum is een soort moleculaire buitenboordmotor waarmee bepaalde bacteriesoorten zijn uitgerust. Door gerichte mutaties te bestuderen die alleen betrekking hebben op de zweepstaart hoopt Beaumont meer inzicht te krijgen in de evolutie van dergelijke biologische nanomachines. Daarnaast wil hij met die kennis zelf gerichte veranderingen aanbrengen. De evolutie ontwerpt blind, een wetenschapper weet graag wat hij doet. >> 25