Prof. Joris Sprakel is leider van het Sprakel Lab binnen het departement Fysische chemie en Soft Matter aan de Wageningen University & Research. Met een voet in zowel de scheikunde als natuurkunde bruist hun onderzoek van de creativiteit. Ze overspannen vele interessante gebieden; van de invloed van oplosmiddelen op verf tot mechanische krachten in plantencellen. Zo kon het effect dat krachten op cellen uitoefenen bij het groeien van plantjes tot op kort niet gemeten worden. Sprakel’s groep ontwikkelt nieuwe sensoren om die kleine krachten te meten met behulp van moleculen die van kleur veranderen als er druk op staat. Zelf is hij groot voorstander van het combineren van verschillende disciplines in de wetenschap en het zoeken van inspiratie in verschillende vakgebieden. In zijn interview met DWIN legde Joris uit hoe hij en zijn groep dat doen, en hoe het tot uiting komt in hun uiterst interessante werk.

Meest recent

Martijn van Calmthout

Martijn van Calmthout is gerenommeerd wetenschapsjournalist en schrijver. Hij heeft 25 jaar voor de Volkskrant gewerkt, waarvan de laatste tien als chef van de wetenschapsredactie. Hier schreef hij over ontwikkelingen in de wetenschap met een aanzienlijk oog voor het alledaagse menselijke aspect van onderzoek doen. Sinds 2018 is hij hoofd communicatie voor Nikhef, het Nationaal instituutVerder lezen

Bas Overvelde

Dr.ir. Bas Overvelde is groepsleider van de Soft Robotic Matter groep bij natuurkundig onderzoeksinstituut AMOLF, alsook Associate Professor aan de Technische Universiteit Eindhoven. Bij AMOLF richt zijn groep zich op het ontwerpen, fabriceren en fundamenteel begrijpen van materialen die in staat zijn zich autonoom aan te passen aan –en zelfs gebruik te maken van- variatiesVerder lezen

Het Inzicht

Jullie doen vele uiteenlopende en interessante dingen. Vandaar dat mijn eerste vraag recht door zee is: Waar zijn jullie nu heden ten dage mee bezig?

We doen uiteenlopende dingen omdat ik niet de persoonlijkheid heb om aan één ding te werken. Daar zit ook wel een strategie achter. Ik maak de bewuste keuze om aan heel veel verschillende onderwerpen te werken aangezien je op die manier heel veel verschillende combinaties en bestuivingen mogelijk maakt. Uit die “gemanagede chaos” ontstaan dingen die ik zelf niet had kunnen verzinnen en die naar mijn gevoel veel beter zijn dat wat ik wél had kunnen verzinnen. De interesse van mijn groep is om te werken aan vraagstukken die op het grensgebied liggen van natuurkunde, chemie en biologie. Daarbovenop vinden we het ook leuk om aan ingewikkelde vraagstukken te werken. Dat doen we enerzijds door nieuwe methoden te ontwikkelen om dingen meetbaar te maken en anderzijds door onderzoek uit te voeren. De vraagstukken focussen zich vaak op moleculen en hun vermogen complex gedrag te veroorzaken op een grotere lengteschaal. Hoe kan het in de context van het leven bijvoorbeeld dat een zakje vol met dode moleculen tot een levende cel wordt gevormd? In ons werk rond kunstconservering speelt dit complex moleculair gedrag een belangrijke rol. Voor schilderijen die musea in goede staat willen behouden, zoeken wij uit wat er nou gebeurt met oplosmiddel-moleculen in verf op microschaal zodat je kan begrijpen wat je moet doen op grote schaal.

Momenteel focust ons belangrijkste werk zich op de mechanica van plantencellen. We proberen nieuwe technieken te ontwikkelen om mechanische krachten in plantencellen te visualiseren (in samenwerking met Prof. Dolf Weijers) en trachten dat natuurkundige aspect te koppelen aan de biologie.

Welke technieken ontwikkelen jullie dan precies? Waar kijken jullie naar in de cellen?

Heel lang is gedacht dat je precies zou kunnen voorspellen hoe het leven van een cel verloopt als je alle chemische processen in de cel  kunt uitmappen. Er is heel lang een chemie-gecentreerde blik geweest op biologische processen, focussend op wat moleculen in cellen doen. Op een gegeven moment werd duidelijk dat je daar niet alles mee kan verklaren. Het werd duidelijk dat ook mechanische-, of anders gezegd fysische prikkels het lot van een cel mede bepalen. Ze kunnen bepaalde processen aan of uitzetten, vertragen of versnellen. De grote vraag is voor ons hoe mechanische signalen de processen van het leven beïnvloeden. In de dierlijke wereld is dit reeds een vrij druk bezet vakgebied, maar vreemd genoeg is er in de plantenwereld heel weinig bekend over dezelfde vraagstukken. Desondanks dat planten ook een grote waarde bezitten voor onze aarde.

We weten dat een plant totaal anders werkt dan een dierlijk weefsel. Plantencellen hebben in tegenstelling tot dierlijke cellen een celwand waardoor ze niet kunnen migreren. Dat betekent dat eens een plantencel in twee nieuwe cellen deelt, deze cellen voor de rest van hun levensduur op diezelfde plek zullen blijven zitten. De celwand is ook veel stijver dan het cytoskelet in onze eigen cellen, wat betekent dat we niet kunnen bouwen op de kennis die we reeds over onze eigen cellen hebben en over hoe ze reageren op mechanische krachten. Ik vond dit een aantrekkelijke uitdaging. Bovendien werk ik in Wageningen, wat bij uitstek een plantenbiologie-gecentreerde universiteit is. Verder kijken we ook naar hoe pathogenen, oftewel ziektes, mechanica gebruiken om een plantencel binnen te dringen en door de schil heen te komen. Vreemd genoeg is er ontzettend veel bekend over wat een pathogeen doet als hij eenmaal binnen in de cel is, maar weten we bijna niks over hoe hij binnenkomt. Dit willen we onderzoeken om plantenziektes beter te kunnen bestrijden.

Ik ben nu al elf jaar groepsleider en ben al die tijd redelijk blij geweest met wat ik aan onderzoek deed, maar ik had ook het gevoel dat ik niet helemaal met het juiste onderwerp bezig was. Het heeft lang geduurd voor ik er achter kwam dat ik me bezig wilde houden met vraagstukken die iets relevanter zijn voor de maatschappij.  Ik ben heel blij dat we dat nu gevonden hebben en dat we in dit vakgebied echt grote nieuwe dingen kunnen bijdragen.

Wat hebben jullie in het verleden precies aan onderzoek gedaan rond kunstconservatie en verf?

Voor dit onderzoek wilden we voornamelijk focussen op duurzaamheid. Nederland is een hele grote speler op de markt als het gaat om de verfindustrie, dus wilden we er voor zorgen dat we als academici beschikbaar zouden zijn als verfbedrijven over wilden schakelen op duurzamere processen. Al is dit onderzoek de laatste tijd in onze groep een beetje naar achter geschoven en storten we ons meer op de plantencellen. In ons plantenonderzoek kunnen wij, met het gevaar arrogant te klinken, dingen doen die bijna niemand anders kan. Het belangrijke is dat we dit punt enkel hebben weten te bereiken door het onderzoek dat we gedaan hebben rond verf en kunstconservatie. De technieken die we daarvoor hebben ontwikkeld, gebruiken we nu in ons onderzoek rond plantenbiologie. Ik had deze technieken waarschijnlijk nooit bedacht als ik simpelweg achter een tafel was gaan zitten en was gaan brainstormen over technieken om mechanica in planten te bestuderen.

Er is in de wetenschap een soort notie ontstaan dat het heel goed is als je je als wetenschapper op één precies gebied focust, maar dat heeft als gevaar dat het een gevoel creëert dat wetenschap een lineair proces is. Ik geloof dat wetenschap zeer niet-lineair is en dat het veel belangrijker is om je ogen open te houden voor onverwachte dingen dan dat je heel intelligent zou moeten zijn. Wat ik probeer te doen in mijn groep is om onderzoekers uit verschillende gebieden te combineren in de meetings en kennis uit te laten wisselen waardoor nieuwe dingen ontstaan. De moleculaire sensors die wij bijvoorbeeld gebruiken komen uit de polymeermechanica-wereld, waarbij iemand uit onze groep voorstelde om dat in planten te gaan gebruiken. Zodoende vind ik dat je kansen voor kruisbestuiving moet cultiveren. We hebben in Nederland en met name in onze wetenschap een zekere regeldrang; we willen alles vooruit plannen en strakke toekomstdoelstellingen formuleren. Volgens mij is dat de doodslag voor wetenschap. Ik ga zelf altijd met open ogen de wetenschap in; zo ontstaan dingen die anders niet waren ontstaan. Al gaat het niet per se om het laten ontstaan van nieuwe dingen maar eerder om het leggen van verbindingen tussen verschillende gebieden die tot dan toe nauwelijks oog voor elkaar hadden.

Ik ga zelf altijd met open ogen de wetenschap in; zo ontstaan dingen die anders niet waren ontstaan.

De Wetenschap

Wat is de precieze wetenschap achter jullie onderzoek met plantencellen? Wat hebben jullie overgenomen uit jullie onderzoek rond verf en meegenomen naar jullie huidige onderzoek?

Toen wij begonnen aan ons onderzoek met verf realiseerden we ons dat heel veel methoden gericht zijn op het ophelderen van structuren. Als je nadenkt over mechanische problemen rond processen die continu intern veranderen, is niet enkel structuur belangrijk maar ook de dynamica. Denk hierbij aan hoe snel of traag veranderingen plaatsvinden. Zo zagen we dat er eigenlijk geen technieken waren om dynamische metingen te doen in niet-transparante materialen. Na het lezen van literatuur en overleg met collega’s kwamen we erachter dat in de jaren tachtig een medische techniek is ontwikkeld om bloedstromingen te meten zonder benodigde dure apparaten of het opensnijden van een patiënt. Kortom, een techniek die dynamica in kaart brengt in materie waar je niet doorheen kan kijken. Wij hebben die techniek overgenomen en aangevuld met theorie. Met deze techniek, genaamd laser speckle imaging,  kunnen we de beweging van moleculen in een verflaag in kaart brengen. Je stuurt lichtdeeltjes, in de wetenschap bekend als fotonen, je materiaal in waarna de fotonen met moleculen gaan botsen en een interferentiepatroon opleveren. Als je naar één zo’n statisch interferentiepatroon kijkt, is het haast niet te doen om een structuur voor een wanordelijk materiaal te bepalen. Maar wij nemen de fluctuaties in het interferentiepatroon gedurende de tijd op en daar kun je wel dynamica uit halen! Hiermee hebben we veel werk gedaan rond verf en toen kwamen we in contact met het Rijksmuseum. Zij waren schilderijen aan het restaureren en hadden een vraag rond de vernislaag die over schilderijen heen zit om ze te beschermen. Als je ze wil restaureren, moet die laag eerst verwijderd worden met een oplosmiddel. Het Rijksmuseum wilde weten wat het oplosmiddel precies zou doen met die vernislaag en of het niet in contact zou komen met de onderliggende verf. Je wilt natuurlijk niet gaan knoeien met een werk van Rembrandt. Om dit te onderzoeken, hebben we onze dynamische techniek gebruikt. Als een oplosmiddel wisselwerkt met de olieverf pigmenten in het werk van Rembrandt gaan de moleculen een beetje trillen. Zodoende konden wij zien waar het oplosmiddel heen zou gaan in een verflaag.

Door dit onderzoek zijn we gaan nadenken over het toepassen van deze techniek in plantencellen. Mechanobiologie gaat uiteindelijk ook over bewegingen. Als een plantenziekte bijvoorbeeld begint te duwen aan de wand van een cel om hem te scheuren, zet dat bepaalde processen in gang. Dit proberen wij zichtbaar te maken, en daarvoor gebruiken we o.a. dezelfde laser speckle imaging techniek.

Waar kijken jullie precies naar in jullie mechanobiologisch onderzoek rond pathogenen?

We realiseerden ons vrij snel in ons onderzoek dat de schaal waarin we werkten met laser speckle imaging niet klein genoeg was. De pixels bij laser speckle imaging zijn 2 bij 2 micron, en een plantencel is 5 micron. Daarom wilden we ons onderzoek verder miniaturiseren en zijn we zodoende bij onze moleculaire sensors terecht gekomen. Dit zijn meetinstrumenten ter grootte van één molecuul waar cellen helemaal geen last van hebben en waarmee we nog nauwkeuriger kunnen meten. Nu kunnen we bijvoorbeeld de spanning van een celmembraan meten in het hoekje van een cel.

In ons meest recente onderzoek (in samenwerking met Prof. Francine Govers) hebben we hiermee gefocust op één specifiek pathogeen; in de volksmond de ‘aardappelziekte’ genoemd. Dit pathogeen valt planten aan en als je hier een uitbraak van krijgt, is je plantenoogst weg. In de westerse wereld is dat niet echt meer een probleem, maar het is bijvoorbeeld wel eind 19e eeuw een grote oorzaak van de Ierse hongersnood geweest. Er zijn nog steeds ontwikkelingslanden waar hongersnoden uitbreken omdat hun aardappeloogst vernietigd wordt. Dat komt omdat we het pathogeen nog steeds niet goed kunnen bestrijden. Wij wilden kunnen laten zien hoe dat pathogeen een plantencel binnendringt en wat de cruciale stappen zijn om schade aan te richten. Zo zagen we dat het pathogeen eerst aan de cel moet kunnen plakken om zichzelf naar binnen te duwen. Zonder dat kleven zou het zich namelijk alleen maar van de wand afduwen als het naar binnen zou willen dringen. Wij hebben laten zien dat het pathogeen de plant niet meer ziek kan maken als je de adhesie onderdrukt. Nu willen we ons onderzoek uitbreiden naar meerdere plantenziektes en het verdere bestrijden ervan.

Hoe werken jullie moleculaire sensoren dan precies?

Wij maken in het lab verschillende moleculen met andere werkingen:

Één daarvan bestaat uit twee helften die verbonden zijn met een as. Op het moment dat je licht schijnt op het molecuul, raakt het geëxciteerd en wil het zijn relatieve oriëntatie veranderen. De twee helften gaan dan ten opzichte van elkaar draaien, en afhankelijk van deze draaiing fluoresceert de sensor. Wij lezen met behulp van deze fluorescentie uit hoe snel de helften draaien, wat ons informatie geeft over de viscositeit van de andere moleculen die om de sensor heen zitten. Hoe meer moleculen om de sensor heen zitten, hoe moeilijker hij kan draaien. Zo krijgen we een idee van de mechanica in cellen in termen van de viscositeit.

Een andere truc die we gebruiken is te vergelijken met hoe baby’s vroeger gewogen werden. Je legt een baby in een doek die je aan een springveer hangt en als je de veerconstante weet en ziet hoe ver de veer uitrekt, weet je het gewicht van de baby. Zo hebben wij een polymeerketen gemaakt met een paar kleurstoffen die met elkaar wisselwerken. Als er in de cel aan de keten getrokken wordt, verandert de afstand tussen die moleculen en kan je door de wisselwerking de verandering in kleur meten en zodoende de kracht waarmee de keten uitgerekt wordt bepalen.

Close-ups van microviscositeit in verschillende cel-onderdelen van plantenwortels (links: vacuole; midden: cytosol; rechts: plasma membraan), a.d.h.v. de fluorescente moleculaire sensoren uit het Sprakel Lab. [Bron: L. Michels et al., Complete microviscosity maps of living plant cells and tissues with a toolbox of targeting mechanoprobes. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 117 18110-18118 (2020).]

Wat zou je zelf aanduiden als de grootste bijdrage aan je vakgebied? Welk werk in je carrière ben je het trotst op?

Het gaat cliché klinken, maar ik ben iemand die vooral gedreven is door mensen en niet per se door grote ontdekkingen. Voor mij is mijn belangrijkste bijdrage dat ik veel mensen heb opgeleid die met weinig zelfvertrouwen mijn groep binnen kwamen en er met veel zelfvertrouwen uit zijn gekomen. Als ik jonge mensen het zelfvertrouwen kan geven waarmee ze zelf moeilijke vragen kunnen oplossen, betekent dat heel veel voor mij.

Vanuit het perspectief van mijn onderzoek denk ik dat ik de meeste impact ga bereiken met onze meest recente paper over het reeds vermelde onderzoek rond de aardappelziekte. Hiernaast vind ik het voor mezelf heel fijn dat ik eindelijk een thema heb gevonden waarbij ik mijn interesse voor fundamenteel onderzoek en de wens om iets voor de maatschappij te doen heb samengebracht. Dat is nog nooit zo mooi gelukt als bij dit project. Daar ben ik heel trots op, omdat ik daar altijd een conflict over heb gevoeld. Een conflict tussen echt fundamenteel onderzoek en of het wel nuttig genoeg is. Voor mij was dit laatste onderzoek een eyeopener dat die twee dingen toch perfect met elkaar hand in hand kunnen gaan.

Wat zijn momenteel de grootste toekomstige drempels waar jullie voor staan?

Ik zie zoveel onderzoeksgroepen in Nederland en de rest van de wereld die met zulke mooie projecten bezig zijn. Die zouden ontzettend relevant kunnen zijn voor een aantal mensen, maar komen lang niet altijd tot uiting. Het probleem is bijvoorbeeld dat chemici enkel naar chemie conferenties gaan en biologen naar biologie conferenties, etc. Er is weinig communicatie over je eigen vakgebied naar andere vakgebieden in de wetenschap. Daar zou ik graag als uitdaging een grotere rol in spelen; om die verbindingen meer tot stand te brengen. Volgens mij wordt er ontzettend veel aan kapitaalvernietiging gedaan. Denk aan het geven van geld aan een onderzoek waar al lang een oplossing voor bestaat maar waar toch iets nieuws voor wordt verzonnen. Ik hoop mensen uit verschillende vakgebieden veel vaker bij elkaar te kunnen brengen.

Als ander probleem zie ik ook dat de wereld van onderzoekers in de wetenschap niet heel divers is. Niet iedereen voelt zich er even thuis en niet iedereen past in de mal ‘waaraan een wetenschapper dient te voldoen’. Ik zie niet veel andere oplossingen dan er open over te blijven praten. Zo ben ik bijvoorbeeld open over het feit dat ik homoseksueel ben, en dat dit werk soms een aanslag is geweest op mijn eigen geestelijke gezondheid. Ik zie het als een uitdaging om het gat tussen de wetenschap en de maatschappij te dichten, maar daar is ook voor nodig dat we als wetenschappers meer midden in de maatschappij gaan staan.

Het is heel makkelijk om mensen weg te zetten alsof ze ‘niet goed bij hun hoofd zijn’, maar ik zie het meer als een falen van ons als wetenschappers en onze plicht om goed te communiceren met mensen die ons niet willen geloven.

De Persoonlijkheid

Wat zie jij als grootste uitdaging voor onze maatschappij? Hoe goed staan we er voor?

Ik ben een paar jaar geleden, toen ik benoemd werd tot hoogleraar, mijn inaugurele rede begonnen met een plaatje van een donut. Daarbij stond de tekst van een Amerikaanse schrijver: “Optimisten zien een donut, pessimisten zien een gat.” Om vervolgens te vertellen dat ik een pessimist ben. Ik maak me zorgen over waar de wereld nu staat. Als ik zie wat de coronacrisis bij mensen losmaakt en hoe mensen daar mee omgaan, maak ik me daar oprecht druk om. Er is zo veel spanning, tegenstelling en strijd. Verschillen in economische omstandigheden en politieke opvattingen worden steeds groter. Klimaat en overbevolking zijn uiteraard ook een groot probleem, maar ik denk dat het verkleinen van de verschillen in meningen even belangrijk is. Als we niet overeenkomen, denk ik namelijk niet dat het ons zal lukken om samen de klimaatcrisis aan te pakken. Daar speelt wetenschap een belangrijke, maar moeilijke rol in. Ik zie dat wetenschappers vaak zeer verbaal-agressief reageren op anderen die niet heel gestoelde meningen hebben over bijvoorbeeld de corona pandemie. Het is heel makkelijk om mensen weg te zetten alsof ze ‘niet goed bij hun hoofd zijn’, maar ik zie het meer als een falen van ons als wetenschappers en onze plicht om goed te communiceren met mensen die ons niet willen geloven. Ik vind dat we als wetenschappers veel meer naar onszelf en onze fouten moeten kijken.

Wat vind jij één van de mooiste ontdekkingen uit de geschiedenis van de wetenschap?

Laat ik hier twee dingen opzeggen:

Ik ben iemand die dagelijks met moleculen werkt en er door gefascineerd is. Een idool van mij is de Franse wetenschapper Jean Baptiste Perrin. Hij heeft de theorie van Einstein over Brownse beweging gelezen en vervolgens experimenteel aangetoond dat moleculen bestaan. Dit was in een tijd waar wetenschappers dachten dat moleculen een theoretisch construct waren maar niet in het echt bestonden! Mensen dachten dat materie een soort van continue toestand was en niet per se bestond uit kleine deeltjes. Perrin heeft toen prachtige experimenten gedaan die heel erg lijken op wat wij vandaag nog steeds doen; hij maakte plaatjes met hoge snelheden door assistenten fotografische platen te laten verwisselen. Hij heeft op zo’n rigoureuze wijze de theorie van Einstein getest, zodat hij bewijs kon leveren dat moleculen daadwerkelijk bestaan. Dat vind ik als experimentalist prachtig. Het heeft de grondslag gelegd voor de moderne chemie en biologie.

Waar ik ook ontzettende bewondering voor heb, is voor mensen die zich bezig houden met onderzoek aan de randen van onze kennis. Dat zou ik zelf echt niet aan kunnen. Mensen die onderzoek doen rond de oerknal, of de snaartheorie, of quantumfysica. Dat ligt zo ver buiten mijn realiteitszin. Ik heb bewondering voor mensen die dat wel aankunnen.

Stel dat je voor een zaal vol studenten staat; welke ene wijsheid zou je hun mee geven?

Wees jezelf, zou ik zeggen. Dat klinkt heel plat, maar dat is iets wat mij na 40 jaar nog steeds niet altijd wil lukken. Ik voel steeds een strijd tussen wie ik ben en wie ik denk dat ik mag zijn. Ik ben homoseksueel, en dan leer je snel dat mensen daar een mening bij hebben en dat je blijkbaar je eigen ruimte een beetje beperkt moet houden. Dit gevoel van onzekerheid in je relatie tot anderen heeft mij in de weg gezeten tijdens mijn carrière. Zo heeft het lang geduurd voordat ik het echt aandurfde om het onderzoek in onze groep meer op biologie te richten. Ik dacht eerst dat het gek of idioot zou zijn, omdat ik er nauwelijks wat over wist. Ik zou het zo fijn vinden als anderen er niet zo lang als ik over zouden doen om je eigen ruimte in te nemen en te zijn wie je bent.

Als laatste onze trouwe DWIN-vraag: Heb je een weetje of feitje waar je onze lezers mee kan verassen opdat ze kunnen zeggen, “Goh, dat wist ik niet”?

Voordat wij begonnen aan ons onderzoek rond de aardappelziekte was tot op dan totaal onbekend hoe het pathogeen een plantencel precies binnendringt. Er waren allerlei hypotheses voor, maar wij hebben kunnen vastleggen wat er nou precies gebeurt! Het is verschrikkelijk slim. Het pathogeen blijkt namelijk precies hetzelfde te doen als wat in Japan gebruikt wordt om hele scherpe keukenmessen te maken om sushi mee te snijden. Het drukt niet recht naar beneden op de cel, maar onder een kleine hoek, net zoals het slijpen van messen wat ook onder een hoek gebeurt. Mechanisch maakt dat het makkelijker voor het pathogeen om de cel binnen te dringen. Zo zie je maar weer dat de natuur vernuftige principes gebruikt, lang voordat wij ze zelf bedenken.

Joris, ontzettend bedankt voor dit interessante interview!

0 reacties op “Joris Sprakel

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s