De Wetenschap

Jouw groep doet (zoals jullie het zelf omschrijven) onderzoek naar ‘de vorming van nieuwe materialen met onverwachte en levensechte eigenschappen uit synthetische, niet-levende bouwstenen’. Maar hoe moeten we dit voor ons zien? Kun je ons wat verduidelijking geven over welke materialen we dan aan kunnen denken?

Dat is een goede vraag natuurlijk: waar gaat het concreet over? Even de achtergrond daarvan. Ik ben eindeloos gefascineerd door mensen als materialen, als ‘gemaakt van iets’. Mensen zijn natuurlijk interessant door wat ze doen en wat ze vinden en wat ze creëren, maar we zijn ook gewoon een object. Wij moeten op een bepaalde manier in de ruimte aanwezig zijn en daarmee wisselwerken. We zijn vervormbaar, we groeien. Nou, dat zijn al een paar eigenschappen van een dood materiaal (moleculen) die je niet direct verwacht: dat zit daar maar, dat weegt iets, het behoudt zijn vorm en zal waarschijnlijk niet gaan groeien. Mijn vraag is dan altijd: Wat zit er nu in de zuiver moleculaire samenstelling van materialen verstopt, dat het tóch die dingen kan doen? Levende materialen leven, dode materialen zijn dood. Aan levende materialen mag je dus bijvoorbeeld wat energie toevoegen om ze te helpen die kunstjes te doen. Máár, als je er wat dieper in gaat kijken, is dat actief zijn niet het enige wat die eigenschappen mogelijk maakt. Er zitten ook gewoon echt andere ontwerpprincipes in levende materialen dan in passieve materialen. Heel veel van die eigenschappen hebben te maken met dat die materialen op de een of andere manier dynamisch moeten zijn; dat ze de mogelijkheid ingebouwd moeten hebben om zichzelf te hervormen en aan te passen. Met dat aanpassen raak je gelijk een belangrijk thema aan: ik denk dat heel veel biologische materialen de functionaliteit hebben die ze hebben zodat ze zich kunnen aanpassen en meebewegen met veranderende externe factoren. Zodoende zoeken wij in die hoek met onze onderzoeksgroep inspiratie in de natuur. Wat kan een natuurlijk materiaal dat een standaard gewoon materiaal niet kan? Dan gaan we in die vraag doorboren. Hoe komt dat nou eigenlijk? Als laatste stap gaan we dan kijken of we met synthetische materialen dat gedrag na kunnen maken.

              Het bekendste voorbeeld van wat we in mijn groep gedaan hebben en wat uiteindelijk, laten we zeggen, tot wasdom of succes gekomen is, is eigenlijk één van de onderwerpen waar ik als postdoc mee begonnen ben: niet-lineaire mechanische eigenschappen van levende materialen. Ik had samen met mijn toenmalige baas Paul Janmey aan de Universiteit van Pennsylvania een interessante eigenschap van biologische weefsels ontdekt. Vele soorten weefsels, zoals het weefsel dat tussen cellen inzit (de extracellulaire matrix), het weefsel waar cellen zelf uit gemaakt zijn (een polymerennetwerkje van hoofdzakelijk actine en dergelijke) en zelfs grotere stukken weefsels, zoals huid, bleken allemaal een interessante eigenschap te hebben. Als je een klein beetje aan deze weefsels trekt zijn ze heel slap en rekbaar, maar als je er heel hard aan trekt worden ze steeds stijver en moeilijker om uit te rekken. Dat is het tegenovergestelde van wat je gewend bent van elasticiteit in de natuurkunde. De Wet van Hooke zegt dat (voor bijvoorbeeld een springveer) de uitrekkingskracht evenredig is met de uitrekking. Hierbij hangt de evenredigheidsconstante, de veerconstante, niet af van de hoeveelheid uitrekking; de uitrekkingen van 10 naar 11 centimeter of van 20 naar 21 cm hebben beiden evenveel kracht nodig.

Dat bleek dus anders te zijn in een heleboel biologische materialen. Al vrij snel hadden we door dat daar een bepaalde functionaliteit achter zit. Want wat wil je van een levend materiaal, iets waar jij van gemaakt bent? Het moet niet al te zeer in de weg zitten tijdens je alledaagse bewegingen, maar wel stevig genoeg zijn bij hogere druk of spanning om verdere uitrekking te voorkomen (anders scheurt het). Eigenlijk is die niet-lineaire elasticiteit dus een soort beschermingsmechanisme voor levende materialen. Aan het begin is het flexibel en meegaand, maar zodra het zodanig dreigt te vervormen dat het kan gaan scheuren, gaat het zich hier tegen verzetten. Toen zijn we op zoek gegaan naar waardoor dat nu precies komt. Zonder in al teveel detail te treden, kan ik uitleggen dat het te maken heeft met de specifieke elasticiteit van biologische polymeren. Ook daar zien we dat reeds op het niveau van enkele polymeerketentjes, je deze op het begin makkelijk kan rekken (daar is de elasticiteit met name entropisch, zeggen we dan) en als de ketentjes bijna helemaal uitgerekt zijn wordt het veel moeilijker om ze te rekken (daar wordt het voor een deel enthalpisch; koolstofbindingen tussen atomen moeten dan opgerekt worden). Wat we toen in een model hebben laten zien, is dat je dit vanaf die paar ketens helemaal kunt vertalen naar een geheel materiaal, waarmee we zodoende meerdere schalen overspannen. Multischaal-modeleren is een belangrijk thema in onze groep: “Welke eigenschappen blijven belangrijk op grotere lengteschalen, en welke zijn niet zo belangrijk meer?” Ons model hebben we toen gepubliceerd en is door heel veel mensen opgepikt, waardoor het een heel eigen leven is gaan leiden. Toen ik naar Eindhoven kwam, een jaar of tien geleden, was één van de eerste gesprekken die ik daar had met Rint Sijbesma, een polymeerchemicus. Die had het werk ook gelezen en zei: “Zou het niet gaaf zijn als we dit helemaal synthetisch na kunnen maken?” Wat voor eigenschappen zouden we aan een synthetische keten moeten meegeven zodat het dit niet-lineaire gedrag vertoont? Ik was nog zo groen als gras. Ik dacht: “Zoveel hoeven we eigenlijk niet te doen.” De ketens moesten enkel, zoals we dat noemen, semi-flexibel gemaakt worden. Maar dat bleek al gelijk een enorme hindernis te zijn; tekenend voor het beperkte inzicht van een theoreet in experimenteel werk. Het semi-flexibel maken van een synthetische keten bleek hard werk te zijn. Met enkele ketens bleef het namelijk maar mislukken (ze vielen steeds direct uit elkaar). Toen kwam, en dat is vooral Rint zijn verdienste geweest, het idee om meerschaligheid serieus te nemen. Rint bedacht het idee om die kleinere ketens in elkaar te vlechten tot een grotere keten, in een soort van helische bundel. Dat kraakte het probleem, want plots hadden we een ‘knop’ om aan die stijfheid van de ketens te draaien. Er moest hier en daar nog wat gebeuren, maar in grote lijnen hebben we zo uit synthetische, niet-levende materialen een zelf-assemblerend materiaal kunnen vormen dat exact die zelfde niet-lineaire eigenschappen als weefsels heeft.

              Dat hele pad is voor mij hoe het kan gaan: in de natuur iets gaafs zien, daar diep in graven totdat je begrijpt hoe het werkt, dat “nuggetje” aan kennis meenemen naar het lab, en het dan weer terug opbouwen.

Zoals je net vertelde, is jullie groep dus bezig met multischaal-modeleren. Welke essentiële fysica moet je aan denken bij deze verschillende lagen? En hoe verbind je die verschillende lagen dan tot een coherent geheel?

Ja, dat is de grote vraag. Daar breken we nog steeds dagelijks ons hoofd over. Het fundamentele probleem is dat je met de huidige stand van zaken simpelweg niet alle informatie van de kleinere schaal kunt opnemen in een model van de grotere schaal. Laten we het voorbeeld van net nemen: ik wil de mechanica van collageen (in het weefsel dat cellen verbindt) bepalen. Nu wil ik mijn huiswerk echt goed doen. Daarom probeer ik alle atomen mee te nemen en zo moleculaire dynamica aan collageen te doen. Nou, “state of the art” heeft iemand in 2011 niet een geheel collageen molecule maar slechts een stukje van zo’n 38 nanometer compleet atomistisch (met 1,8 miljoen atomen) kunnen simuleren. Zelfs dat kostte al een jaar computertijd, en zo’n kwart miljoen processoren (dat is héél wat rekenkracht). Daar kon hij zo’n 10 nanoseconden (héél weinig) mee simuleren. Zo complex is het om een echt biologisch molecuul in alle detail te simuleren.

Maar goed, gelukkig ben ikzelf niet geïnteresseerd in de atomaire structuur van dat collageenmolecuul wanneer ik er aan draai of trek. Ik wil weten hoe dat gehele molecuul reageert; welke elasticiteit heeft het? In ons werk gebruik ik altijd het voorbeeld: Wij zijn alleen geïnteresseerd in mechanische eigenschappen. Het maakt me niet uit welke kleur het heeft, of welke smaak het heeft, etc. Dat zijn allemaal variabelen die leuk zijn voor andere mensen, maar voor ons niet interessant. Daardoor kan je vaak, door van te voren helder te krijgen wat je te weten wilt komen op die grotere schaal, kiezen wat je mee wilt nemen uit de kleinere schaal. Zodoende wordt voor ons dat collageenmolecuul, in zijn meest rudimentaire vorm in het multischaal-model, een simpel polymeertje. Het wordt een keten met een aantal karakteristieke getallen: een contourlengte (hoe lang ie is, langs de rug gemeten), een persistentie lengte (hoe graag ie wil buigen) en een dikte (hoeveel volume neemt ie in). Met deze drie variabelen kan je al mechanica gaan bepalen. We gooien al die atomistische informatie weg, o.a. hoe de drie variabelen precies tot stand komen (want dat hangt van de atomistische informatie af). Toch gooi ik voor mijn eindprobleem niets weg wat ik nodig zou kunnen hebben. Zo kunnen we met deze beperkte set aan kerngetallen toch naar simulaties gaan van millimeters bij millimeters, en komen we op het niveau van iets wat we met mechanische experimenten kunnen verbinden. Gewoon de juiste vragen stellen is dus uiteindelijk het antwoord.

Wat is volgens jou je grootste ontdekking die je gedurende je carrière zelf hebt bijgedragen aan je onderzoeksveld?

Dat is mijn net vertelde verhaal over de niet-lineaire respons van weefsels geweest. Toen we ontdekten dat er een universaliteit was in de niet-lineaire respons van biomaterialen (het kwam voor binnen de cel, buiten de cel, etc.) en we er een theorie bij konden vormen die we toen destijds uitstekend vonden, en die tien jaar later nog steeds “state of the art” is; nou, dat is met afstand toch mijn meest impactvolle werk geweest. Dat heeft ook alles wat ik daarna verder gedaan heb doortrokken. Zoals het gaat in de wetenschap heb je ergens een “lucky break”, gebeurt er iets, word je daar bekend om en mag je er vervolgens over komen praten op allerlei plekjes.

Zijn er dan stiekem nog dromen of doelstellingen die je alsnog hoopt te kunnen bereiken in je werk?

(denkt hard na) Dat is een moeilijke vraag om te beantwoorden. Er lopen een boel projecten in onze groep, en bij ieder van die heb ik uiteraard een zeker enthousiasme en ambitie. Maar je beleeft denk ik in dit stadium van je carrière de wetenschap en het ontdekken op een heel andere manier dan hoe je dat bijvoorbeeld tijdens een postdoc doet. Ik vond een postdoc doen de meest zuivere tijd qua wetenschap. Je bent geen PhD’er meer die iemand anders zijn project doet. Je bent behoorlijk autonoom. Je mag zelf uitzoeken met wie je samen werkt. Er wordt wel meer eigen inbreng verwacht, maar verder heb je…helemaal niks te doen. (enthousiast) Je hebt geen management, geen onderwijs, geen administratie. ’s Ochtends ga je  ‘er achter zitten’ (ik ben een theoreet dus ik werk achter een computer), en wanneer je er klaar mee bent, ben je ermee klaar. Maar in principe kan je er de hele dag mee bezig blijven! Ik denk dat dat gevoel, die sense of accomplishment, niet meer terug gaat komen. Alles gebeurt nu in een team, en het echte werk begeleid je wel maar doe je niet meer zelf.

Maar natuurlijk hebben we nog heel veel ambitie! Nu ben ik bijvoorbeeld al jaren gefascineerd door het namaken van natuurlijke processen. Ik geloof dat de antwoorden op een paar grote vragen in de materiële wereld daar liggen. Dan doel ik op waar alles om ons heen van gemaakt is; dat is plastic, en dat is bijna op want dat maken we van olie. Daar ligt een gigantische uitdaging. Iedereen heeft het over brandstof en over zonnepanelen op je dak schroeven, maar waar gaan we straks de groenten in stoppen en onze boterhammetjes in verpakken? We zijn zo verslingerd geraakt aan plastics. Die materialen-transitie is de uitdaging aan de wetenschap. Om binnen een tiental jaren met een totaal pakket aan nieuwe materialen te komen die niet meer van olie gemaakt zijn, die biologisch afbreekbaar zijn, niet giftig, cyclisch te hergebruiken zijn, etc. Ik bedoel, ga er maar eens aan staan! Dat zijn nogal wat eisen. Dan denk ik van: “Wacht eens even, kijk nou eens terug naar je eigen lichaam.” Alles waar jij van gemaakt bent is herbruikbaar. Alles waar jij van gemaakt bent is hergebruikt. Alles waar jij van gemaakt bent is zich op dit moment aan het vernieuwen, aan het herstellen. Daarin liggen de antwoorden op een paar van die vraagstukken toch al besloten? Dat dingen zich zelf in elkaar kunnen zetten, en zich ook weer uit elkaar kunnen halen tot bouwstenen om nieuwe materialen mee te maken. Dát is cyclisch materialen ontwerpen.

Ik zie voor me dat er binnen nu en twintig jaar een bibliotheek aan biologische bouwstenen komt. Kleine moleculen die helemaal synthetisch gemaakt kunnen worden en eindeloos in dit soort cycli opgenomen kunnen worden. Als een materiaal op zijn eind is, bouw je het met een simpel proces weer af en maak je er weer iets anders van. Een nieuw ‘plastic’ zakje. Dat is een richting waar ik in ieder geval heel erg geïnteresseerd in ben. We kunnen zelfs nog een stapje verder denken. Waarom zouden we die bouwstenen synthetiseren, als we gewoon dezelfde materialen als in de natuur zouden kunnen gebruiken? Daar proberen we trouwens al tijden een voet tussen de deur voor te krijgen. Het is een eindeloos veel moeilijker vakgebied dan je zou durven denken. Er is een enorme reststroom in de agrarische industrie waarin alles aan steeltjes en weet ik wat verbrand wordt. Terwijl je de moleculaire bouwstenen die je zou willen gebruiken in bijvoorbeeld bio-plastics kan aftekenen in materialen zoals cellulose (waar stengels van gemaakt zijn). Maar ja, moet je ze wel eerst kunnen isoleren uit die materialen. Er zijn praktisch eindeloze voorraden aan materialen zoals cellulose die afgevoerd worden (of we maken er bio-fuels van). Ik zou graag een bijdrage leveren aan dat we deze materialen ook in beeld brengen voor het maken van nieuwe gebruiksmaterialen. Dan heb je volgens mij de hele puzzel opgelost. Als je die bouwstenen uit de natuur kan halen, er processen omheen kan definiëren waarin ze cyclisch hergebruikt kunnen worden en ze minstens even goed zijn als wat we nu hebben, dan denk ik dat dat een stap is waar we met onze materialen mee de toekomst in kunnen.

Het fundamentele probleem is dat je met de huidige stand van zaken simpelweg niet alle informatie van de kleinere schaal kunt opnemen in een model van de grotere schaal.

De Persoonlijkheid

Je noemde je ontdekking rond de niet-lineaire respons van biomaterialen een “lucky break”. Maar zie je het zelf ook zo? Is het geluk geweest, of keihard werken? Of een mix van die twee?

Volgens mij is alles een mix van die dingen. In ouwe stijl natuurkunde schreef je alles toe aan je eigen briljante inzichten en talent. Ik denk dat het modernere inzicht is dat er bepaalde mechanismes spelen die er bij helpen dat het voor sommige mensen waarschijnlijker is om in een dergelijke positie te komen dan voor anderen. Zonder er al teveel een punt van te willen maken, ben ik wel een blanke, hetero man uit een rijk nest en heb ik weinig weerstand ontmoet op het pad van de wetenschap. Het geluk zit hem deels daarin; welke wind je mee hebt uit je achtergrond. Ik had ook het geluk om bij de University of Pennsylvania  te zijn op het moment dat ze daar die metingen aan het doen waren; ik zat bij Paul Janmey in de groepsmeetings. Toen ben ik gewoon echt met de data die daar gepresenteerd werd gaan ‘klooien’. Niet dat ik me maandenlang  met pen en papier bedolven heb onder formules. Ik dacht gewoon: “Hey, dit lijkt daar op, waarom zou dit niet voor weefsels hetzelfde zijn als voor polymeren?” Zo heb ik dat model met collega’s langzaam overeind doen komen, en klonterde het concept als het ware een beetje samen. Het is dus deels geluk geweest om er toen op dat moment tegenaan gelopen te zijn. Al wil ik mezelf niet helemaal buitenspel plaatsen. Ik kan me echt nog wel momenten herinneren dat ik dacht: “Holy fuck, nu zijn we wel echt iets bijzonders op het spoor.” The thrill of discovery, af en toe heb je dat. Dat je gewoon 100% zeker weet dat jij de eerste bent die een bepaald verband ziet. Die zegt: “Hey, maar wacht eens even, als dit waar is moet dat ook waar zijn.” Dat is gewoon een heel speciaal en verslavend gevoel.

Heb je eigenlijk een favoriete ontdekking in de geschiedenis van de wetenschap? Iets wat je inspireert of ontroert, of wat je gewoon heel mooi vindt?

Ik ben een gigantische fan van de wetenschapper Landau. Hij is wat mij betreft de koning van de fenomenologische fysici. Hij kon dwars door de meest ingewikkelde problemen heen kijken, zien wat daar werkelijk van belang was en op hele algemene gronden en intuïties raden wat daar het model voor moest zijn.  Als je de Ginzburg-Landau theorie van supergeleiders kent: dat is ongeveer hoe ik hoop dat we leven steeds beter kunnen begrijpen. Eerst waren supergeleiders een mysterie, maar Landau heeft er met een soort van laserblik doorheen kunnen kijken, naar de aard van dit ondoorgrondelijke probleem. In die aard zat een kraakheldere structuur, met slechts een paar dingen die belangrijk zijn, en die dingen konden niet anders dan zich op een bepaalde manier tot elkaar verhouden. Hij heeft daar het concept van zijn ordeparameters op los gelaten, gesnapt dat dit een faseovergang is, gesnapt welke mathematische structuren daar aanleiding tot moeten geven op basis van wat je observeert, en daar een fenomenologische theorie mee gemaakt die nog steeds één van de beste is die we voor dit gebied hebben. Zo is dat concept van inkoken wat het belangrijkste is, geïnspireerd door wat je al weet van het systeem, en daar ideeën in vinden, echt waanzinnig inspirerend. Tijdens mijn studie zag ik dat zijn manier van denken voor mij wel de kern was. Hij haalde alle ‘fluff’ eraf. “Dit is er over.” Met zo’n bril probeer ik ook naar de biologie te kijken: Wat kan je van een probleem afpellen en verder over de binnenkant vertellen?

En dan de afsluitende vraag: jouw DWIN. Is er een weetje of feitje waarmee je de lezers van dit interview kan verassen?

Daar overval je me mee. Ik kan nou niet echt iets bedenken. Nou ja, misschien deze dan. Laatst las ik op Twitter dat wanneer je percentages moet nemen, je die altijd om mag draaien. Dus 7 procent van 10 nemen is hetzelfde als 10 procent van 7.

(lacht) Nou, dat vind ik al een hele leuke! We zijn door de vragen heen. Ontzettend bedankt voor je interessante antwoorden, Kees!