Normaal gesproken zijn chemische reacties overzichtelijk. Je voegt bijvoorbeeld twee stoffen bij elkaar die een reactieproduct vormen. Dat staat in schril contrast met wat de natuur chemisch gezien klaarspeelt, waar duizenden stoffen tegelijkertijd met elkaar reageren om uiteindelijk complex gedrag mogelijk te maken. “En precies dat zouden wij chemici maar al te graag nadoen,” zegt Wilhelm Huck van de Radboud Universiteit. “We willen eigenlijk kunnen programmeren met chemische reacties.”
Wilhelm Huck vergelijkt de biologische cel graag met een jongleur. Een erg knappe jongleur, want hij weet duizenden ballen tegelijk in de lucht te houden. Sommige ballen liggen beneden op de grond, maar de meesten bevinden zich boven die jongleur, op weg naar boven of naar beneden. Het hele systeem blijft zo in de lucht. De ballen in dit voorbeeld staan voor de vele verschillende chemische reacties die het hart van de cel vormen. In feite is een cel namelijk niets anders dan een minuscuul reactievaatje. En net als in de reageerbuis van een chemicus verlopen die reacties door ‘naar beneden te vallen’, van een hoge naar een lage energie.
De biologische cel zit bomvol met moleculen die met elkaar reageren.
TimVickers via publiek domeinHet knappe van de cel is dat hij wel gebruik maakt van dit principe, maar eigenlijk nooit de bodem raakt. “Zodra alle ballen op de grond liggen kun je eigenlijk zeggen dat hij dood is”, zegt Wilhelm Huck, hij is hoogleraar fysisch-organische chemie aan de Radboud Universiteit in Nijmegen. Het lukt de cel om van ‘piek’ naar ‘piek’ te rollen en zo energie in te zetten om te reageren op zijn omgeving, zichzelf te handhaven en te delen. Een complex netwerk van chemische reacties voorkomt continu dat de cel thermodynamisch gezien in evenwicht raakt, en houdt onze cellen en ons in leven. “Wij zouden soortgelijke complexe chemische netwerken ook naar het laboratorium brengen,” zegt Huck, “maar we weten praktisch gezien helemaal niet hoe dat moet.”
Zelfdenkende materialen en slimme medicijnafgifte
Volgens Huck gaat er een wereld voor ons open zodra we snappen hoe een cel dit precies doet. Dan ligt er bijvoorbeeld een heel nieuwe generatie materialen binnen handbereik, geïnspireerd op levende systemen. ‘Zelfdenkende’ materialen die kunnen reageren op hun omgeving, daar wordt al onderzoek naar gedaan, maar dat levert volgens Huck nog niet erg slimme materialen op. “Smart materials zijn volgens mij helemaal niet zo slim. Ze kunnen vaak maar één soort reactie activeren, die er bijvoorbeeld voor zorgt dat een barst wordt gerepareerd. Maar misschien is het in zo’n geval wel beter om nog even te wachten met zo’n reparatie totdat er nóg meer schade is. Dergelijke regulerende mechanisme’s kunnen we nu nog niet inbouwen in materialen.”
Een ander voorbeeld is het maken van een minuscule medicijn-capsule die in het lichaam van een patiënt precies de goede hoeveelheid medicijnen afgeeft op basis van concentraties van bepaalde stoffen in het lichaam. “Op zich zou je zoiets met behulp van elektronica ook kunnen realiseren, maar dan moet je eigenlijk een minuscule computer met meetapparatuur met het medicijn meesturen. Het liefst zouden we chemische reacties waaruit bijvoorbeeld het actieve medicijn ontstaat ‘verbinden’ aan de chemie in het lichaam. Dat is een veel effectievere en elegantere manier om de toediening van een medicijn te doseren.”
Het is juist het complexe gedrag van biologische systemen dat nog ver weg staat van de chemische praktijk in het laboratorium. Maar dat moet gaan veranderen, samen met een flink aantal chemici in Nederland plukt Huck de vruchten van het zogenoemde zwaartekracht-programma van het Ministerie van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap (OCW) en de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). In totaal stroomt er zo bijna 27 miljoen euro naar het Research Center for Functional Molecular Systems, een samenwerkingsverband van de Radboud Universiteit, de Technische Universiteit Eindhoven en de Rijksuniversiteit Groningen. Huck coördineert in het kader daarvan het onderzoek dat zich bezig houdt met systemen die chemisch gezien niet in evenwicht zijn.
Chemisch slingerwerk
En de eerste successen worden geboekt. Huck vertelt dat hij en collega’s het net voor elkaar hebben gekregen om met een netwerk van vijf verschillende soorten moleculen een chemische ‘slinger’ te realiseren. Niet in de zin dat hij fysiek heen en weer beweegt, maar dat het netwerk chemisch gezien steeds in een andere toestand verkeerd. Het schommelt steeds tussen een actieve en passieve toestand.
Die activiteit wordt bepaald door de concentratie van een enzym die op zijn beurt afhankelijk is van twee andere stoffen. Zo ontstaat er een samenspel waarin er in eerste instantie steeds meer actieve enzymen bijkomen (de activiteit gaat dus omhoog). Na verloop van tijd wordt de vorming van het enzym juist weer geremd. Daarna komt het systeem weer op gang en loopt de concentratie van het enzym weer op. Een chemische slingerbeweging of ‘trilling’, die Huck vergelijkt met het blazen op een fluit. “Je blaast een constante luchtstroom naar binnen toch komt er een trilling en dus een bepaalde toon uit.”
Nabouwen van de biologische cel
Een chemisch slingerwerk heeft op zichzelf niet meteen een directe toepassing, maar het past perfect in het nieuwe ‘chemische handboek’ dat Huck voor ogen heeft. “Wat we willen is een hele verzameling van dergelijke standaardreacties die we in een groter systeem kunnen inbouwen. Dan kunnen we als het ware gaan ‘programmeren’ met chemische reacties. Materialen die automatisch bewegen, zichzelf repareren of vermeerderen; aan de basis van deze futuristisch klinkende toepassingen liggen relatief eenvoudige chemische netwerkjes die we nu pas net beginnen te begrijpen.”
Netwerken in de cel hebben een hoge mate van complexiteit. Hier het netwerk van verschillende moleculen dat betrokken is bij de verspreiding van het HIV-virus in een cel.
Elledge Lab/Harvard Medical SchoolHet splinternieuwe trillende netwerk geeft in ieder geval genoeg aanknopingspunten voor Huck en collega’s: “Wat we nu proberen is om deze slinger te koppelen met een andere slinger om te zien hoe ze elkaar beïnvloeden. Vervolgens proberen we hem in te zetten in een chemische computer, per slot van rekening hebben we hiermee al een klok. Als we er uiteindelijk echt in slagen om logische poorten, zoals computers die ook hebben, te creëren uit chemische reacties en deze te koppelen zodat we berekeningen kunnen doen is dat heel bijzonder. Met de enorme diversiteit aan enzymen en moleculen die chemici ter beschikking hebben zou het uiteindelijk mogelijk moeten zijn de complexiteit van levende cellen na te bouwen in het lab.”
Dit laatste, het compleet nabouwen en begrijpen van een biologische cel is volgens Huck het hoogste doel in zijn vakgebied. “Een volledig synthetische cel, met vergelijkbare componenten en functies van de echte cel. Functies die we bovendien kunnen aanpassen om zo tot nieuwe toepassingen te komen. Dat zou geweldig veel inzicht opleveren, maar dat is echt een extreme uitdaging. We zijn eigenlijk nog nauwelijks begonnen om zoiets te realiseren. Kom over 25 jaar nog maar eens terug, haha.”