Ingenieurs in de biologie

Bionanoscience, de nieuwe afdeling van de faculteit Technische Natuurwetenschappen, bestaat volgens afdelingsvoorzitter prof.dr. Cees Dekker uit een technische benadering van de biologie. Dekker is voor zijn nieuwe afdeling op zoek geweest naar celbiologen die samen willen werken met nanofysici en naar biofysici die met biologen willen praten

ceesdekkerlab.tudelft.nl
christophedanelonlab.tudelft.nl
davidgrunwaldlab.tudelft.nl
tansgroup.amolf.nl

Dit artikel verscheen eerder in Delft Integraal 02/2010

,Lagen van complexiteit

Zijn aha-moment beleefde prof.dr.ir. Sander Tans vlak na zijn promotie in 1998. Hij schreef rond die tijd samen met toenmalig promotor Cees Dekker verschillende publicaties in topbladen als Science en Nature over de elektrische geleiding van enkele koolstofnanobuisjes. “We konden de stroom door afzonderlijke moleculen meten. Dat was fantastisch! Maar met de nanotools die we ontwikkeld hadden, konden we ook andere dingen doen. Ze gunden ons een blik op biologische processen, die stuk voor stuk heel wat complexer zijn dan wat wij voor elkaar kregen. Motoreiwitten bijvoorbeeld die DNA repareren, of langs een speciaal spoor in de cel heen en weer lopen. In complexiteit zijn ze vergelijkbaar met motoren die mensen maken, maar dan op nanometerschaal. Als je dat voor het eerst ziet denk je: Wow! Hoe kan dat?”

Het was het begin van Tans’ keuze voor de biofysica, een vak dat hij beoefent als groepsleider van het biofysica laboratorium van het FOM-instituut Amolf (atoom- en molecuulfysica) in Amsterdam, en sinds 1 januari ook als deeltijdhoogleraar bij de nieuwe TNW-afdeling bionanoscience. De natuurkundige blik op biologische onderwerpen is zijn specialisme geworden. Zijn onderzoeksterrein strekt zich uit vanaf afzonderlijke moleculen tot aan het niveau van cellen en de evolutie daarvan. Het is Tans’ ambitie om een bijdrage te leveren aan een meer kwantitatieve biologie; een wetenschap die gebaseerd is op testbare hypotheses, experimenten en voorspelbare resultaten.
Als voorbeeld noemt Tans zijn recente onderzoek naar de mechanismen van evolutie. In dit onderzoek werd een populatie van bacteriën een nieuwe manier aangeleerd om te reageren op antibiotica, door middel van evolutie tijdens zo’n honderd generaties . De onderzoekers lieten zien dat bacteriën zich hadden aangepast aan een wisselende omgeving die soms wel, en soms geen antibiotica bevatte, door een combinatie van toevallige mutaties en Darwiniaanse selectie. “Het evolutionair aanleren van een reactie, is nog nooit eerder gelukt”, aldus Tans. “Tegelijk hebben we getoond waar dit succes precies vanaf hangt. Het laat zien dat je een proces pas echt begrijpt als je het kunt reproduceren.”

Tans’ vervolgonderzoek gaat in de richting van de evolutie van complexe eigenschappen. Bij de meeste biologische processen zijn meerdere eiwitten betrokken. Hoe veranderen die onder evolutionaire druk? Of zoals Tans zegt: “Hoe evolueert complexiteit? En kunnen we daaruit misschien eenvoudige basisprincipes destilleren?” Het is de oude hoop van de natuurkundige dat de chaotische en complexe werkelijkheid na voldoende studie haar onderliggende logica zal prijsgeven. Die droom is in de natuurkunde zelf overigens nooit volledig bewaarheid. 

,Experimenten met evolutie

“Stel je voor dat je oog in oog komt te staan met een verre voorouder. In een gevecht om wie de sterkste is.” Aan het woord is evolutionair bioloog dr. Bertus Beaumont. Hij bedrijft experimentele evolutie met bacteriën. “Met bacteriën kun je dat doen. Ik bewaar een suspensie met bacteriën in een vriezer en laat de rest door evolueren. Soms wel acht generaties op een dag. Na een paar honderd generaties kan ik de bacteriën vergelijken met hun verre voorouders.”
Bertus Beaumont promoveerde in 2004 als moleculair bioloog aan de Vrije Universiteit van Amsterdam. Hij werkte als postdoc aan de universiteit van Auckland en met een NWO Veni-beurs aan de Universiteit Leiden.
“Wat we weten van evolutie, weten we door vergelijkend onderzoek”, stelt Beaumont. Vergelijkingen tussen fossielen onderling, tussen fossielen en huidige levensvormen en tussen huidige soorten onderling. Zo is de hele evolutietheorie tot stand gekomen op basis van vergelijkende observaties. Maar de wetenschap doet ook graag experimenten om hypothesen te testen. “Het gaat mij er niet om te laten zien dat bacteriën zich aanpassen aan veranderende omstandigheden”, zegt Beaumont. “Dat is geen nieuws. Maar hoe precies kan zo’n complexe machinerie als een bacterie zich aanpassen door toevallige veranderingen in het DNA? Dát is de vraag.” Het DNA van de bacterie in het onderzoek heeft zes miljoen genetische letters. Bij iedere deling wordt het DNA gekopieerd waarbij er een kans van één op tienduizend is op een verschrijving. De meeste mutaties blijven zonder gevolgen. Sommige zorgen ervoor dat een bacterie minder snel groeit, zodat die mutatie uitsterft. En heel soms groeit een bacterie sneller waardoor op den duur de hele populatie die eigenschap zal hebben. “Dan ben je één stapje geëvolueerd”, vat Beaumont samen.
In Delft zal hij aan de slag gaan met onderzoek naar de evolutie van zweepstaartjes (‘flagella’). Een flagellum is een soort moleculaire buitenboordmotor waarmee bepaalde bacteriesoorten zijn uitgerust. Door gerichte mutaties te bestuderen die alleen betrekking hebben op de zweepstaart hoopt Beaumont meer inzicht te krijgen in de evolutie van dergelijke biologische nanomachines. Daarnaast wil hij met die kennis zelf gerichte veranderingen aanbrengen. De evolutie ontwerpt blind, een wetenschapper weet graag wat hij doet.

,Oorsprong van het leven

Dr. Christophe Danelon is na eerdere betrekkingen aan de universiteiten van Toulouse en Lausanne in Delft neergestreken. Hij vindt het opwindend om deel uit te maken van zo’n nieuwe afdeling waar mensen een reputatie hebben op het gebied van de fysica van biologische moleculen en waar expertise aanwezig is over microscopie en spectroscopie. De meeste publicaties van Danelon uit de afgelopen jaren gaan over ionenkanalen. “Dat zijn eiwitten op membranen van levende cellen”, legt hij uit. “Ze zijn van groot belang voor het regelen van ionenstromen, het binnenlaten van voedsel en het uitscheiden van afvalproducten.” In Delft, neemt het onderzoek ‘een kleine wending’.
Hij gaat namelijk op zoek naar de oorsprong van het leven. “Het is goed om flinke ambities te hebben en om grote vragen te stellen. Zelfs een kleine vooruitgang op dit gebied is al een hele prestatie”, licht de bescheiden Fransman toe.

Over vijf jaar wil Danelon zijn eerste kunstmatige cel presenteren. Een cel die voedsel gebruikt om in zijn energie te voorzien, die zichzelf kan voortplanten en die in staat is te evolueren. De belangrijkste vraag voor Danelon is hoe een set complexe biochemische moleculen dicht genoeg bij elkaar blijft om te kunnen repliceren. Omgeven door water drijven de moleculen al snel uiteen. Misschien kunnen bepaalde mineralen een rol spelen bij de binding, misschien is ook een tweede membraan nodig dat de cellen bijeen houdt. Daar moet straks na vijf jaar onderzoek meer over bekend zijn. De achterliggende vraag, die naar de moleculaire oorsprong van het leven, is groot genoeg om hem zijn leven lang bezig te houden, schat Danelon.
Naast dit fundamentele onderzoek werkt Danelon mee aan het gebruik van liposomen (vetomhulsels) voor medicatie. Medicijnen die omgeven zijn door een liposomenmantel kunnen onopgemerkt door het lichaam bewegen. Door ze te voorzien van een antilichaam zouden de medicijnenbuideltjes zich aan een specifiek weefsel kunnen hechten. Vervolgens zou er een mechanisme in werking moeten treden dat de inhoud vrijmaakt uit het omhulsel. Het kan een manier zijn om medicijnen via de bloedbaan in de hersenen te krijgen.

,Zicht op de kern

Het specialisme van dr. David Grünwald: “De afbeelding van moleculen binnen de kern van een levende cel.” Moleculen zien met een optische microscoop? Daar zijn ze toch te klein voor? Binnen een levende cel, dus je ziet allerlei levensprocessen live gebeuren? Het blijkt te kunnen. Grünwald heeft zo vastgesteld dat het tweehonderd milliseconden duurt voordat een RNA-molecuul zich door de kernwand naar buiten heeft gewurmd en dat een gemiddeld eiwit in vijf tot tien milliseconden naar binnen is. “Het mooist was te zien hoe een RNA-molecuul de ene na de andere kernporie probeerde. Dan bleef het ergens een seconde hangen en ging weer verder. Totdat het bij een porie kwam die het doorliet.”

Grünwald kan fascinerend vertellen over een wereld die hij als een van de weinigen zichtbaar kan maken: het levende complex van een cel. Na een jaar rechtenstudie in Frankfurt kwam hij via natuurkunde in aanraking met biofysica. “Hoe werkt het leven? Niet alleen als beschrijving, maar in kwantitatieve zin. Hoe werkt een cel en welke principes houden het leven aan de gang? Die vragen hebben me gegrepen en nooit meer losgelaten.” Sindsdien speelt zijn glanzende wetenschappelijke carrière zich af aan instituten voor biofysica, biochemie, moleculaire biologie en geneeskunde. Na vier jaar onderzoek als postdoc aan het Albert Einstein College of Medicine in New York vindt Grünwald het weer tijd voor fysica.

In een laboratorium bouwt hij met hulp van technici en promovendi een eigen microscoop die speciaal geschikt is om afzonderlijke moleculen te kunnen volgen. Cruciaal daarbij is de maximale lichtopbrengst. Met die microscoop wil hij de interactie tussen verschillende moleculen tot op dertig nanometer precisie kunnen vastleggen. Zo is met verschillende fluorescentielabels zichtbaar te maken of bijvoorbeeld een virus door de kernporie dringt. Of, ander voorbeeld, waar een geneesmiddel zich aan bindt en hoe dat de gang van zaken in de cel beïnvloedt.
“Dat gebeurt allemaal in milliseconden. Die processen spelen zich af in al onze cellen. We zien dat allemaal gebeuren. Niet aan de rand van de cel, maar echt in de kern.” 

Dat de tram over de Mekelweg zou gaan, was een groot succes voor de studentenorganisaties. Het college van bestuur wilde oorspronkelijk niets van dit traject weten. Volgens de bestuurders van de universiteit moest de tram aan de achterkant van de campus komen, over de Schoemakerstraat. Wij vonden dit een grote fout en een gemiste kans om hoogwaardig openbaar vervoer naar de universiteit aan te bieden. Daarom werd in 2001 een handtekeningenactie gehouden voor een tramlijn over de Mekelweg. Ruim 3600 studenten, medewerkers, hoogleraren en de oud-rector steunden die actie. In 2004 luisterde de gemeente naar de universiteitsgemeenschap en nam het enige juiste besluit: een tramlijn door het nieuwe Mekelpark. De tram zou eind 2007 haar eerste meters door de nieuwe campus moeten afleggen en de TU Delft zou een snelle, frequente en betrouwbare OV-verbinding krijgen met het station en de rest van de stad.

Fast forward naar eind 2009. We studeren inmiddels al een half jaar in het officieel geopende Mekelpark. Het gras is nog groen, de fietspaden onversleten. Maar de tram is nog steeds spoorloos. Ondertussen is het openbaar vervoer naar de campus drastisch verslechterd. Vanaf 2007 rijden er al minder bussen richting de TU; de tram zou dan immers de reizigers vervoeren, was de redenering. En sinds het opbreken van de Mekelweg rijden de bussen over de Rotterdamseweg en de Schoemakerstraat – precies het scenario waar die 3600 handtekeningen uit 2001 tegen protesteerden.
Natuurlijk zijn er talloze redenen voor het uitstel. De Sebastiaansbrug en de Kapelsbrug zijn niet sterk genoeg om de tram te kunnen dragen. De tram zou elektromagnetische velden opwekken die experimenten en apparatuur van de universiteit verstoren. En tot overmaat van ramp is de aanbesteding van de nieuwe Sebastiaansbrug mislukt door te weinig animo van aannemers.
Maar al die oorzaken doen niets af aan de noodzaak van tramlijn 19. De afgelopen jaren zijn de studentenaantallen enorm toegenomen, en door het kamertekort is het aantal studenten dat dagelijks met het openbaar vervoer naar de universiteit moet, nog harder gestegen. Laten we ook de twee hbo-instellingen niet vergeten die in september in de campus zijn geland. En dan speelt nog de discussie rond het parkeerbeleid in de TU-wijk; eigenlijk zouden ook meer medewerkers met het openbaar vervoer naar de universiteit moeten reizen. Al met al wordt de paradox zichtbaar: meer en meer vraag naar een goede OV-verbinding naar de TU, maar al jaren minder bussen en nog steeds geen tram.

Van sommige kanten komen er nu ook geluiden tegen de tram. Er moet maar een trolleybus komen, of er moet gewacht worden met de aanleg van de tramlijn tot de spoortunnel klaar is. Deze geluiden ontkennen echter het probleem van de vele studenten en medewerkers die nu elke dag in een te volle bus naar hun faculteit reizen.
Daarom vragen Oras, AAG, VSSD en Stip een signaal van het college van bestuur en van de gemeente. Een commitment van de bestuurders van de stad en van de universiteit voor een goede OV-verbinding richting campus. Een eind aan detaildiscussies over het traject, over brughoogten en over kosten van EMC-maatregelen. Een voortvarende aanpak van aanbestedingen en aanleg. Een harde garantie dat de tram in december 2011 gaat rijden. Kortom, een krachtig ‘ja!’ voor tram 19.
Want voor al die studenten en medewerkers die al twee jaar vergeefs bij de halte staan te wachten, is tramlijn 19 al te veel vertraagd.

Michael van Lith (lid studentenraad namens Oras), Mark Bosschaart (lid studentenraad namens AAG), Laurens Krüger (penningmeester VSSD) en Bas Bennebroek (gemeenteraadslid Stip)