Hoe zijn brokjes losse materie geëvolueerd tot levende wezens? Het is dé grote vraag in de chemie. Een gesprek met Nobelprijswinnaar Jean-Marie Lehn over zijn visie op het maken van complexe materie.
De materie op aarde heeft nogal een evolutie doorgemaakt, vertelt Jean-Marie Lehn, emeritus hoogleraar supramoleculaire chemie aan de Universiteit van Straatsburg. In het begin waren er alleen losse atomen die overal rondslingerden. Op een gegeven moment gingen die atomen aan elkaar plakken en ontstonden er moleculen. Weer later begonnen die moleculen zich slim te organiseren tot grotere structuren die ook daadwerkelijk een functie hadden. Door zich zo te organiseren maakten ze een volgende stap mogelijk: leven.
In het laatste stadium begon die levende materie, laten we het nu de mens noemen, wat bijzonders te doen, namelijk denken. Waar die mensen dan over denken? Nou, bijvoorbeeld over hoe ongeorganiseerde materie heeft kunnen evolueren tot denkende wezens.
Jean-Marie Lehn: grondlegger van de supramoleculaire chemie
Jean-Marie Lehn (1939) ontving in 1987 de Nobelprijs in de Scheikunde samen met Donald Cram en Charles J. Pedersen, voor de ontwikkeling en het gebruik van cryptands: kooi-achtige moleculen die als bindingsplaats dienen voor ionen.
Met deze ontdekking werd het vakgebied van de supramoleculaire chemie gelanceerd, een term die Lehn voor het eerst in 1978 gebruikte. Supra slaat hier op het overtreffende karakter van deze chemische structuren. Het is chemie voorbij het enkele molecuul: het draait om interacties tussen moleculen zonder dat ze covalente bindingen aangaan.
Chemicus Jean-Marie Lehn.
Eind september was de Franse chemicus Jean-Marie Lehn, die in 1987 de Nobelprijs voor de Scheikunde won, in het land om de eerste Nederlandse prijs voor supramoleculaire chemie in ontvangst te nemen. Tijdens zijn bezoek gaf hij aan verschillende universiteiten een lezing over zijn specialisme: moleculen die elkaar herkennen.
“Alle processen in levende organismen beginnen met moleculaire herkenning”, legt Lehn uit. “Als de moleculen in je lichaam elkaar niet zouden herkennen, zou je er niet zijn. Chemie is daarom ook een informatiewetenschap. De wetenschap van geïnformeerde materie.”
Individuele watermoleculen kunnen niet bevriezen. Druppels van heel veel watermoleculen wel.
José Manuel Suárez via Wikimedia Commons CC BY 2.0Wanneer informeren moleculen elkaar?
“Een voorbeeld. Neem een enkel watermolecuul. Eén molecuul kan niet koken of bevriezen. In een glas water zijn de moleculen nog steeds gelijk aan dat ene watermolecuul, maar allemaal samen kunnen ze zowel koken als bevriezen. Het verschil zit in de interacties tussen moleculen: moleculen reageren op elkaar. Eigenschappen zoals koken en bevriezen bestaan niet in de wereld van de individuele moleculen. Die interacties zorgen voor nieuwe eigenschappen, maar maken dingen ook ingewikkelder.”
U zegt dat de grote vraag in de chemie is hoe materie zo complex heeft kunnen worden…?
“We proberen te begrijpen hoe wij hier zijn gekomen en wat we hier doen. Chemie is heel belangrijk om die vraag te beantwoorden. De natuurkunde vertelt de basiswetten die op het hele universum van toepassing zijn. Biologie vertelt de regels van het leven, die volledig afhankelijk zijn van de natuurwetten. Levende organismen bestaan door een chemische stap die de brug vormt tussen natuurwetten en iets levends.
Wat houdt die chemische stap in?
“Zelforganisatie. De universele wetten eisen dat materie zich organiseert. Leven is een kosmische noodzakelijkheid, geen ongelukje zoals sommigen zeggen.”
Vooralsnog lukt het de mens niet om die zelforganisatie op gang te brengen. We kunnen alleen leven maken uit iets dat al leeft. Waar zitten de moeilijkheden?
“Metabolisme is nog steeds een probleem bij het maken van een systeem dat op leven lijkt. Een systeem moet zijn eigen moleculen voor brandstof en als bouwstenen kunnen maken. Verder is het erg moeilijk om chemische reacties aan elkaar te knopen tot een netwerk dat zelfstandig functioneert.”
“We moeten goed analyseren hoe die netwerken werken. Het gaat in levende systemen om complexe netwerken waarin de ene reactie de andere remt of juist stimuleert. Wat er gebeurt is te vergelijken met het samenspel tussen vossen en hazen. Vossen eten hazen, waardoor de hazenpopulatie afneemt. Omdat er minder hazen zijn gaat de populatie vossen omlaag, want die hebben niks meer te eten. Het resultaat daarvan is dat de hazen zonder roofdieren weer in aantal toenemen.”
“Die op en neer gaande beweging zie je ook in levende systemen, maar dan is het netwerk veel minder overzichtelijk. Alles is met elkaar verbonden. Als je op een punt ingrijpt, weet je niet waar er mogelijk een effect optreedt. Ik hou er daarom van om complexe problemen stap voor stap aan te pakken: pas wanneer je een stap begrijpt ga je door naar de volgende. De voetgangers-benadering noem ik het.”
Wanneer mogen we spreken van iets dat leeft?
“Eigenlijk weten we niet eens precies wat het verschil is tussen leven en dood. Wanneer stoppen de chemische reacties als we overlijden? Wanneer stellen we vast dat iets niet meer leeft? We weten natuurlijk: zodra het brein ermee ophoudt is het afgelopen. Zonder hersenen bestaan we niet, de rest van ons lichaam is slechts bagage. Ook als we dood zijn gaan sommige processen nog een tijdje door. Haren en nagels blijven groeien.”
“Een andere filosofische vraag is: noemen we een virus dat zichzelf verdubbelt een levend organisme of niet? Zonder gastheer kan het niks. Maar een virus wordt levend zodra het de cel binnenkomt en daar delen van de machinerie van de cel kan gebruiken om zich voort te planten. Toch is de algemeen geaccepteerde mening dat een virus niet leeft.”
Iets anders. Wat is de impact geweest van de Nobelprijs op uw onderzoek?
“De Nobelprijs heeft niet veel effect gehad op mijzelf. Je wordt er niet plotseling slimmer door. Wat mij vooral is opgevallen is dat je betere studenten krijgt. En er zijn natuurlijk dingen die ermee samenhangen, zoals meer uitnodigingen om te komen spreken en meer interviews. Ook vlieg je opeens business class in plaats van economy class, wat ik maar raar vind, om ergens anders te zitten dan de rest. Zelfs op de hoogste troon van het universum zit je nog steeds op je kont, zoals het gezegde gaat.”
Een toepassing uit Lehns vakgebied zijn supramoleculaire polymeren: materiaal dat zichzelf heelt als het is beschadigd.
Anne LukemanWaar werkt u momenteel aan?
“Vooral aan adaptive chemie, reacties die zich kunnen aanpassen aan nieuwe omstandigheden. Met andere woorden: we maken systemen die kunnen leren. Je kunt het zien als een klein immuunsysteem. We voegen een stof toe aan het systeem waardoor het systeem zichzelf verandert. Het houdt die verandering vast, ook als je die stof weer weghaalt. Op het moment dat je die stof weer toevoegt, wordt die door het systeem herkend en verloopt de reactie sneller. Ook hier maak ik kleine stapjes om te zien of en hoe het werkt. Vergezochte ideeën zijn belangrijk om tot nieuwe inzichten te komen, maar je moet ze zien te organiseren in een vraag zodat je experimenten kunt doen.
U werkt nog volop, ondanks uw emeritaat…
“Het voordeel van emeritus zijn is dat je niemand nog iets verschuldigd bent, althans, als je je eigen onderzoeksgeld hebt. Ik heb geen verplichtingen meer, behalve die dingen die ik mezelf opleg.”
Heeft u nog tips voor jonge onderzoekers?
“Kijk goed naar je experimentele resultaten. Een experiment vertelt je vaak veel meer dan je had verwacht. En probeer altijd precies het tegenovergestelde te doen van wat je voor ogen hebt. Als je bijvoorbeeld stabiele structuren wil maken, dan moet je ook proberen om instabiele structuren te maken. Daar leer je veel van.”