Carlijn van Beek deed promotieonderzoek naar de moleculaire motortjes waar haar begeleider Ben Feringa de Nobelprijs voor kreeg. Het is een complexe nanopuzzel. Hoe doe je onderzoek naar iets wat je niet kunt zien?
Haast nonchalant is ze, wanneer ze erover spreekt: Carlijn van Beek (29) heeft het over „machines”. Piepkleine structuren die kunnen bewegen en echt iets kunnen dóén, net als machines in het dagelijks leven, maar dan op een schaal van miljoenste millimeters. Deze nanomachines werken met zogeheten ‘moleculaire motors’: onderdelen van moleculen die kunnen draaien rond een as, net als de wielen van een auto, maar dan aangedreven met licht. Van Beeks begeleider, chemicus Ben Feringa, kreeg er in 2016 de Nobelprijs voor: voor het eerst konden wetenschappers beweging controleren op moleculair niveau. En nu promoveert Van Beek op een vervolgstap daarvan. Op 20 april verdedigt ze haar proefschrift aan de Rijksuniversiteit Groningen.
„Wij maken deze moleculaire motors in het lab, maar je hebt ze ook in de natuur”, vertelt Van Beek op de Groningse universiteitscampus, in het gloednieuwe Feringa-gebouw, genoemd naar haar begeleider. „Bijvoorbeeld ATP-synthase, een enzym dat een rol speelt in de energiehuishouding van onze cellen. Het is een eiwit dat ook draaiende onderdelen heeft, maar dan aangedreven door chemische energie.”
De onderdelen die ronddraaien in Van Beeks motors, zijn in feite zijtakken van het hoofdmolecuul. Ze zitten daaraan vast met een zogeheten dubbele koolstofbinding. Daarbij zitten twee koolstofatomen aan elkaar vast met twee bindingen in plaats van één. Op school leer je dat dubbele bindingen juist rigide zijn, maar ze kunnen wel degelijk een klein stukje draaien, als je er een beetje energie aan toevoegt. Bijvoorbeeld in de vorm van licht. Dan breng je ze over een bepaalde drempel heen, net als bij een tandwiel, waarna ze verder doorschieten om weer in een ontspannen toestand te komen. „Het bijzondere aan onze motoren is dat ze altijd maar één kant op kunnen draaien”, vertelt Van Beek. „Daardoor kun je dus een gecontroleerde beweging genereren.”
Dat heeft allerlei interessante toepassingen, legt Van Beek uit. Neem bijvoorbeeld kankermedicijnen. Je wilt het liefst dat die alleen actief zijn op de plek waar ze nodig zijn, en niet in de rest van het lichaam, om bijwerkingen te voorkomen. Van Beek: „Stel nu dat het medicijn niet actief is in een bepaalde vorm, maar wel actief als je een van die zijgroepen laat omklappen. Dan kun je het medicijn aanschakelen op de plek van de tumor door daar met licht op te schijnen.”
Die toepassing, inmiddels ‘fotofarmacologie’ gedoopt, is nu volop in ontwikkeling. Feringa en collega’s werken daarin samen met onder meer het UMC Groningen. „Zelf zit ik wat meer aan de fundamentele kant”, benadrukt de promovenda. „In mijn onderzoek heb ik gekeken of je in plaats van één ook twéé zijgroepen kunt laten roteren – vergelijkbaar met de twee wielen aan de as van een auto.”
Niet alleen twee dezelfde wielen, maar ook twee verschillende, merkt ze op. Toepassingen daarvan zijn nog niet direct in zicht, maar: „Wij onderzoeken nu hoe je verschillende typen moleculaire motors met elkaar kunt laten samenwerken, als een netwerk van tandwielen.” Dan zou je ze kunnen inzetten voor grotere of ingewikkelder toepassingen. Bijvoorbeeld in complexe materialen waarvan je de eigenschappen wilt kunnen aanpassen, zoals de doorlatendheid. „De vervolgstap van mijn onderzoek zou zijn: mijn moleculen op een oppervlak zetten en dan kijken hoe ze bewegen.”
Van Beek heeft het steeds over ‘het maken van moleculen’ en ‘kijken wat ze doen’. Maar hoe maak je iets wat je niet kunt zien? Hoe weet je dan welke groep ergens aan hangt, en of die ronddraait of niet? En wat het molecuul vervolgens ‘doet’? Van Beek moet lachen om de vraag. „Ja, het klinkt heel abstract. Ik combineer heel veel verschillende analysetechnieken, en dan is het een kwestie van puzzelen om te verklaren wat je eruit ziet komen.”
Haar beginstoffen zijn vaak een poeder of een vloeistof. Dat zijn altijd zuivere stoffen, die dus maar uit één soort moleculen bestaat. „Als de ‘as’ van mijn motor neem ik een stof die als basis twee gekoppelde koolstofringen heeft”, vertelt Van Beek. „Die meng ik dan met de stof die ik er als ‘wiel’ aan wil hangen – vaak een andere cyclische koolstofverbinding. Plus nog wat activatiespullen.”
Dan ontstaat er een mengsel van reactieproducten. „De eerste paar maanden was het allemaal een beetje pijnlijk. Mijn ‘wielen’ bleken vooral met elkáár te reageren, niet met de ‘as’. Of er zaten andere verbindingen tussen die ik niet wilde hebben. Maar geleidelijk lukte het steeds beter: ik kreeg steeds meer assen met twee wielen.”
De volgende stap is het scheiden van de verschillende reactieproducten. Dat kan met chromatografie, waarbij je een mengsel ‘uit elkaar trekt’ door het door een soort filterpapier te laten lopen. De verschillende componenten kun je vervolgens isoleren en karakteriseren. Bijvoorbeeld met bepaalde vormen van spectroscopie waarbij je kijkt hoe een stof reageert op licht, of op radiogolven in een magneetveld. Dat zegt iets over hoe de stof is opgebouwd. En massaspectrometrie vertelt hoe zwaar een molecuul is. „Met de combinatie van die technieken kun je bevestigen dat je de juiste structuur hebt gemaakt.”
En hoe onderzoek je vervolgens wat het molecuul ‘doet’ als je er met licht op schijnt? „Dan gebruik je die technieken terwijl je de stof beschijnt, en dan zie je welke veranderingen dat teweegbrengt. Dan kun je uiteindelijk al die puzzelstukjes aan elkaar leggen. We zíén die wieltjes dus niet draaien, maar we zien het veranderende gedrag in de metingen.”
Zelf gaat Van Beek na haar promotie niet verder met dit onderzoek. Academische carrièrepaden zijn haar te onzeker. „Ik zoek liever een baan bij een bedrijf of een instituut, dus met iets meer toegepaste doelen”, zegt ze. „Daar zijn ook chemici nodig die dit soort puzzels kunnen oplossen. Niet per se op nanoniveau, maar mijn vaardigheden zijn veel breder inzetbaar: oplossingen zoeken, processen optimaliseren… Maar ook doorzetten en alternatieven bedenken als het tegenzit.”
Haar begeleider Ben Feringa vindt het wel jammer dat ze de academische wereld verlaat, merkt Van Beek op. „Ik loop hier al rond sinds mijn bachelorstage. Ik denk dat hij het wel leuk vond om te zien hoe enthousiast ik was. En dat ben ik nog steeds. Ik vind het gewoon heel leuk om nieuwe moleculen te maken en dan te kijken wat ze doen.” De praktische vaardigheden liggen haar ook goed: „Een beetje alsof je aan het koken bent. Ook een grote hobby van mij.”
Hoe is het eigenlijk om te promoveren bij een Nobelprijswinnaar? „Ja, fantastisch. Ben kreeg die prijs natuurlijk niet voor niets. Hij zit vol creatieve ideeën. Hij is ook superenthousiast en kan je erg goed motiveren als het even tegenzit. En hij is oprecht geïnteresseerd in jouw ideeën. Ik durfde dus ook gewoon te zeggen: ik denk dat we het beter zus of zo kunnen doen.” Ze denkt even na. „En als zijn naam op je paper staat, dan wordt het toch sneller opgepikt.”
Er zitten ook wel nadelen aan, nuanceert ze: „Soms was het lastig hem te spreken te krijgen. Ben is heel veel op pad: voor symposia, commissies, lezingen… soms is hij wekenlang niet op het lab. Gelukkig had hij twee goede labmanagers aangesteld, en natuurlijk de secretaresse. En je wordt er ook wel zelfstandig van, denk ik. Sommige mensen zouden dan verzuipen, maar ik kon het juist wel waarderen.”
Ze lacht: „Het is ook wel prettig hoor, dat je niet elke dag een update hoeft te geven.”
Op de hoogte van kleine ontdekkingen, wilde theorieën, onverwachte inzichten en alles daar tussenin