, Artikel door:
Auteur(s) boek:

Makers van leven

Hoe wetenschappers leven bouwen in het lab

Hoe maak je een materiaal dat ‘geprogrammeerd’ is om bepaalde functies uit te voeren? Door vanaf het kleinste niveau, de nanodeeltjes, het materiaal gecontroleerd zichzelf op te laten bouwen. Net zoals levende materialen dat doen.

In Makers van leven: Hoe wetenschappers leven bouwen in het lab duikt NEMO Kennislink en De Leesclub van Alles redacteur Esther Thole in het onderzoek naar synthetisch leven. In het voorwoord schrijft Nobelprijswinnaar Ben Feringa: “Esther Thole neemt de lezer in dit prachtige boek mee op een fascinerende speurtocht langs een aantal prominente wetenschappers met een gemeenschappelijk doel: het maken van synthetisch
leven.” Dit artikel is een bewerking van het hoofdstuk Komkommers, spreeuwen en vleesetende planten: slimme materialen imiteren trucs uit de natuur.

[Voorpublicatie] De eigenschappen van materialen hebben hun oorsprong in het gedrag en de eigenschappen van de moleculen waaruit het materiaal bestaat. De omvang van moleculen ligt in de orde van enkele nanometers – een nanometer is een miljardste meter. Maar dat betekent niet automatisch dat als je een effect op deze nanoschaal weet te bewerkstelligen of te controleren, je die effecten ook meteen op ‘onze’ schaal merkt. Of beter nog: kunt gebruiken.

Technisch Weekblad

Dat een nanodeeltje iets doet, is geen garantie dat een groter cluster van heel veel nanodeeltjes hetzelfde doet. Laat staan dat die clusters samen nog grotere bouwstenen vormen die nog steeds het gewenste gedrag laten zien. Maar dat is wel waar we naartoe moeten als we dynamische materialen willen maken die we ook echt kunnen gebruiken in ons dagelijks leven. We moeten de materialen kunnen vastpakken, ergens aan kunnen bevestigen, met een kwast op een muur kunnen smeren en ga zo maar door. Dat moet wel te combineren zijn met de samenstelling en structuur op nanoschaal. En het materiaal moet ook nog eens het vermogen tot aanpassing behouden. Hoe maken we die enorm grote stap van bijvoorbeeld nanodeeltjes die druppels doorgeven naar zelfreinigende verflagen die geschikt zijn voor wolkenkrabbers?

De natuur doet dat door materialen hiërarchisch op te bouwen. Niet gewoon maar nanodeeltjes bij elkaar smijten totdat die klont groot genoeg is, maar een heel precieze, stapsgewijze opbouw. Je kunt het vergelijken met de hiërarchie in een bedrijf. Medewerkers vormen samen een team. Meerdere teams vormen een afdeling en meerdere afdelingen vormen samen een bedrijfsonderdeel en zo verder. Natuurlijke, ‘levende’ materialen zijn ook volgens zo’n patroon georganiseerd.

Een mooi voorbeeld is het eiwit collageen, dat zorgt voor de stevigheid en elasticiteit van onze huid, pezen, botten en kraakbeen. Collageen bestaat uit stevige vezels die stapsgewijs door ons lichaam worden samengesteld. Het begint bij het aan elkaar koppelen van aminozuren, de bouwstenen van eiwitten, in lange strengen. Die lange ketens aminozuren zijn niet recht, maar gekruld als een kurkentrekker ofwel een helix. Drie van die gekrulde strengen draaien om elkaar heen tot een iets dikkere helix. Op hun beurt vormen meerdere van de dikkere helices bundeltjes die al lijken op dunne vezels. Tot slot vormen veel van die dunne vezelbundels samen een stevige collageenvezel van ongeveer tweehonderd nanometer dik.

Er zijn dus veel stapjes nodig om van het nanoniveau – de grootte van de aminozuren – te komen tot de uiteindelijke collageenvezels. Als er in het begin iets fout gaat, heeft dat meteen gevolgen. Dan kan de collageenvezel misschien niet uitgroeien tot de gewenste sterkte. Tegelijkertijd geeft deze manier van opbouwen wel veel flexibiliteit. Bedenk maar eens dat je taaie pezen en je stevige huid uit hetzelfde materiaal bestaan als je dunne, transparante netvlies. De bouwstenen op moleculair niveau zijn vrijwel gelijk, maar door te zorgen voor minder dikke vezels, krijgt het materiaal heel andere eigenschappen. Een efficiënte manier van omgaan met bouwstenen en productieprocessen.

De collageenvezels bouwen zichzelf op en ook de aansturing ligt bij de bouwstenen zelf. Dit proces heet zelfassemblage. Als wij materialen willen maken die we vanaf de nanoschaal ontwerpen, controleren en opbouwen, moeten we net als de natuur te werk gaan. We kunnen nou eenmaal niet individuele moleculen vastgrijpen en aan elkaar koppelen. Dat betekent dat we zelfassemblage moeten begrijpen, zodat we leren wat we kunnen aansturen en hoe we dat moeten doen.

Hefboom

Iemand die zich daar dagelijks het hoofd over breekt is Ilja Voets, hoogleraar zelforganiserende zachte materie aan de Technische Universiteit Eindhoven. Dat doet ze overigens op een buitengewoon opgewekte manier. Als je naar Voets luistert heb je er alle vertrouwen in dat we dit probleem even gaan fixen. “Er zijn veel voorbeelden van prachtig werk op de nanoschaal, maar de effecten gaan vaak niet verder dan tien keer de moleculaire lengteschaal. Dat is nog steeds heel erg klein,” aldus Voets.

“Wij willen veel verder gaan, naar een effect dat je op veel grotere schaal kunt zien. Dat gaat in stappen. Je begint met kleine moleculen die ervoor zorgen dat er bouwstenen ontstaan die ongeveer honderd keer groter zijn. Aan die bouwstenen plak je weer een klein molecuul, waardoor de bouwstenen samen weer nog veel grotere onderdelen kunnen vormen. Zo bouw je stapsgewijs een hiërarchische structuur.” Ze vergelijkt het met een hefboom. “Een verschil op een klein niveau geeft een effect op een veel groter niveau. Dat hebben we nodig om naar bruikbare materialen te gaan.”

Voets leidt een onderzoeksgroep waarin zelfassemblage in zachte materialen, zoals in levende weefsels, centraal staat. Door te bestuderen hoe dat proces in biologische materialen vanaf het kleinste niveau verloopt, wil ze ontdekken hoe we nieuwe materialen vanaf de nanoschaal kunnen ontwerpen en bouwen. De eigenschappen van de bouwstenen bepalen een groot deel van de eigenschappen van het uiteindelijke materiaal, maar de manier waarop de bouwstenen zijn gerangschikt is ook heel bepalend.

Kleur door structuur

Voets kijkt voor inspiratie naar de intense kleuren van vogels, vlinders en insecten. “Deze kleuren komen niet van pigmenten of kleurstoffen, maar zijn het resultaat van een heel precieze hiërarchische rangschikking van alle bouwsteentjes. Dit noemen we kleur door structuur en het is heel interessant voor sensoren, maar ook voor verf. Een groot voordeel ten opzichte van pigmenten is dat kleur door structuur niet vervaagt.” Toepassingen waarbij een kleurverandering de informatie levert ziet ze als een realistische mogelijkheid om kleur door structuur toe te passen. Bijvoorbeeld in dunne laagjes die als sensor fungeren. “Een signaal uit de omgeving, zoals druk, temperatuur of elektrische stroom zorgt ervoor dat de bouwsteentjes in het laagje dichter bij elkaar komen of juist uit elkaar worden geduwd. Daardoor verandert de kleur en kun je op ‘ons’ niveau meteen zien dat er iets is gebeurd.”

Helaas gaapt er tussen idee en praktijk een grote kloof gevuld met vragen. “Want hoe maak je een materiaal waarvan je de bouwstenen niet kunt vastpakken, maar die wel heel gecontroleerd hun plek moeten krijgen? Die bovendien hun plek moeten behouden, maar als het materiaal eenmaal klaar is, toch genoeg bewegingsruimte overhouden zodat het materiaal zich kan aanpassen aan de omgeving? Het zijn bijna filosofische vragen,” verzucht Voets.

Bontmantel

Nanodeeltjes hebben geen eigen plan. Je zou Hamlet erbij kunnen halen: plakken of niet plakken, dat is de vraag. Dezelfde nanodeeltjes gedragen zich in verschillende omstandigheden op een verschillende manier. Of ze wel of niet aan elkaar plakken, hangt af van de andere mogelijkheden die er zijn. Om de gewenste actie uit te laten voeren, moeten we alle andere opties uitsluiten. De nanodeeltjes moeten geen andere keuze hebben dan dat te doen wat wij voor ogen hebben. Klinkt solide, maar hoe je dat in de praktijk doet, is een heel ander verhaal. “Dat is voor een groot deel nog onontgonnen terrein,” merkt Voets op. ‘Een belangrijke vraag is bijvoorbeeld hoe bepalend de volgorde van de stappen tijdens het bouwen is. Kun je nog terug als je een route hebt gekozen? Kun je op een later tijdstip nog iets veranderen in de structuur of ligt alles meteen vast? Daar kan niemand nog iets over zeggen.”

In de wereld van de nanodeeltjes loop je tegen verschijnselen aan waar je op grotere schaal geen last van hebt. Als moleculen heel dicht bij elkaar komen trekken ze elkaar onherroepelijk aan en dat geeft allerlei ongewenst geplak. “We willen op een zo klein mogelijk niveau beginnen met het bouwen van onze materialen omdat we daarmee zo veel mogelijk controle krijgen over de effecten op grotere schaal,” zegt Voets, “maar hoe kleiner de afmetingen van de deeltjes waarmee je werkt, hoe groter de invloed wordt van de krachten die op dat niveau een rol spelen. Die interacties kun je niet uitschakelen, dat zijn natuurkundige wetmatigheden waarmee je altijd te maken hebt. Je kunt alleen maar proberen te voorkomen dat ze jouw proces verstoren.”

Haar oplossing klinkt even onwaarschijnlijk als intrigerend: ze geeft de deeltjes een bontmantel. Het bont is een laag ‘haren’, flexibele delen, die niet aan elkaar plakken en ook nergens mee reageren. Het werkt als een isolatielaag; de haren zorgen ervoor dat de nanodeeltjes niet dicht genoeg bij elkaar kunnen komen om de ongewenste aantrekkende krachten een kans te geven. Dat is mooi, maar dan gebeurt er verder ook niks. Tenzij je ook nog andere haren in de bontmantel stopt, legt Voets uit. “Haren met een ‘stickertje’; een plakkend uiteinde dat net buiten de bontmantel steekt. Die plakkende eindjes van verschillende deeltjes gaan aan elkaar zitten en je hebt de eerste stap gezet in het bouwen van je grotere structuur.’

Hoewel het bewerkelijk klinkt (en ook is), heeft het als voordeel dat je precies kunt controleren welke deeltjes aan elkaar plakken en hoe sterk, want dat bepaal je via de stickertjes. Die ontwerp je zelf en je bepaalt zelf hoeveel stickers de deeltjes krijgen. Eigenlijk lijken de plakkende uiteindjes meer op post-its dan op stickers. Je kunt de plakkende uiteindjes namelijk zo ontwerpen, dat je ze op een later moment altijd weer uit elkaar kunt halen, zodat je de gewenste flexibiliteit in je materiaal meteen inbouwt. Voets heeft duidelijke plezier in het eindeloze gepiel met haren en stickertjes. “We kunnen op deze manier totaal nieuwe structuren bouwen. Ik zie ons echt als architecten op de nanoschaal.”

Op 19 juni a.s. verschijnt Makers van leven: Hoe wetenschappers leven bouwen in het lab bij Maven Publishing. Met een voorwoord van Nobelprijswinnaar Ben Feringa.

Titel

  • Makers van leven

Vertaling van

Auteurs

Genre

ISBN

  • 9789492493408

Uitgeverij & Jaar

  • Maven Publishing 2018

Aantal Pagina's

  • 216

Boek aanschaffen

1 reactie op “Makers van leven

  1. Author’s gravatar M.T. Roels schreef:
    “Makers van Leven” van Esther Thole gaat over de voortdurende zoektocht van de wetenschap naar hoe en wanneer leven ontstaat. Het heeft mij als volslagen leek een stuk meer begrip opgeleverd van de processen, die plaatsvinden in biologische cellen. Je moet wel wat op school geleerd hebben over scheikunde en natuurkunde, maar dan is het ook heel interessant en zeer leerzaam!
    Wat het onderzoek al opgeleverd heeft en nog steeds oplevert voor de nanogeneeskunde is ontzettend belangrijk, vanwege de praktische toepassingen die mogelijk worden en soms al zijn.
    Sommige gedeelten zijn weliswaar wat droger om te lezen, maar dat brengt de materie af en toe ook wel met zich mee. Het boek is vooral leuk en vlot geschreven, waarbij je af en toe gewoon in de lach schiet, en zo boeiend dat je het boek eigenlijk in één keer zou willen uitlezen.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Recente artikelen:

Goed gerei
Holland op z’n mooist
Spotvogels

Bestellen

Op zoek naar een boek? Bestel het hier.
Zo steun je De Leesclub van Alles