Spinozapremie 2016 naar chemicus Wilhelm Huck

Wie langs een groot chemisch-industrieel complex rijdt ziet een enorme verzameling buizen, vaten, pijpen, opslagtanks en schoorstenen. Allemaal in mega-formaat. Het ziet er behoorlijk ingewikkeld uit, maar het is helemaal niets vergeleken met de chemische fabrieken waar ons lichaam vol mee zit: de cellen.

Dat zijn de fabrieken waar Wilhelm Huck, hoogleraar Fysische en Organische Chemie aan de Radboud Universiteit Nijmegen, van onder de indruk is. Voor zijn baanbrekende chemische onderzoek naar de werking van levende cellen ontvangt Huck de Spinozapremie 2016. “Je weet dat deze prijs er is, maar het was echt een enorme verassing toen ik werd gebeld met het nieuws”, vertelt Huck aan NEMO Kennislink.

Waar een ‘normale’ fabriek meestal gespecialiseerd is in een of twee productieprocessen, is een levende cel in staat om tegelijkertijd onvoorstelbaar veel verschillende processen uit te voeren. En dat in een microscopisch klein reactorvat dat bovendien echt ramvol zit met heel veel verschillende grote en kleine moleculen. Hoe verlopen al die reacties? Hoe komen de juiste moleculen op het juiste moment bij elkaar? Hoe verplaatsen stoffen zich door de heel beperkte ruimte binnen de cel?

Allemaal vragen waar we het antwoord nog niet op hebben, maar waar we mede dankzij het onderzoek van Huck inmiddels wel meer van weten. Maar alleen vragen beantwoorden is voor hem niet genoeg. Hij wil een cel kunnen bouwen. De ultieme test om te zien of je snapt hoe iets werkt.

Netwerken

Een essentieel kenmerk van levende cellen is dat al die chemische processen niet in evenwicht zijn. Eenvoudig gezegd: er is sprake van een continue stroom van reacties. Aan de ene kant worden bouwstenen opgenomen en aan de andere kant verlaten afvalstoffen de cel. De tussenliggende reacties vormen netwerken die nauw met elkaar verweven zijn. Bijvoorbeeld: A + B reageren tot C, dat vervolgens overgaat in D en E, maar dan vormt E uiteindelijk toch weer A. En zolang B beschikbaar is, blijft de stroom reacties op gang.

Het bouwen van dit soort netwerken is een van de hoofdlijnen van Hucks onderzoek. Hij gebruikt daarvoor enzymen, de katalysatoren van de natuur. Een katalysator reageert zelf niet, maar zorgt ervoor dat een chemische reactie (veel) sneller verloopt. “Wij hebben voor enzymen gekozen, omdat die allemaal in een waterige omgeving kunnen werken, net als je in een levende cel hebt. Enzymen zijn ook heel selectief, ze voeren meestal maar een taak uit, zodat je weet dat ze niet ook allerlei andere dingen gaan doen. Tot slot kun je hun reactiesnelheid goed controleren.” Het is Huck en zijn groep inmiddels gelukt om zo’n netwerk aan de praat te krijgen, waarin de verschillende enzymen elkaars activiteit op de juiste manier blijven stimuleren, zodat het systeem blijft lopen.

Kleine moleculen

Het lijkt een logische keuze om met enzymen te werken als je probeert een levende cel na te bootsen, maar dat ligt toch iets anders. “Dat is juist een punt van kritiek van sommigen. Onderzoekers die werken aan de oorsprong van het leven vinden dat je niet moet werken met biologische moleculen zoals enzymen, omdat die er nog niet waren toen het eerste leven ontstond. Voordat er biologie was, was er alleen maar chemie.” Vanuit deze redenering zijn daarom onderzoekers ook bezig om dit soort netwerken te bouwen met alleen maar niet-biologische bouwstenen. Chemici spreken dan van ‘kleine moleculen’.

En dat wil Huck ook gaan proberen. Huck: “We weten dat een aantal belangrijke processen in levende cellen ook zonder enzymen kunnen plaatsvinden. Bijvoorbeeld de glycolyse, het proces waarin suiker stapsgewijs wordt afgebroken. In de cel heb je daar verschillende enzymen voor nodig, maar het kan ook met behulp van ijzer-zwavel verbindingen die wel aanwezig waren voordat het eerste leven ontstond. De reacties verlopen dan veel langzamer, maar het gaat wel. Wij denken nu na over nieuwe netwerken die zijn geïnspireerd op biologische voorbeelden, waar we bepaalde motieven uithalen. Die proberen we dan na te bootsen zonder biologische bouwstenen.” Op het lijstje staat onder meer de citroenzuurcyclus, een belangrijk proces waarin afgebroken voedingsstoffen worden omgezet in energie die de cel nodig heeft om te blijven functioneren.