Trots 2005

Waar wij trots op zijn De ontdekkingen van het jaar 2005

Universiteit Leiden Faculteit der Wiskunde & Natuurwetenschappen

Inhoud

1

Bestuur FWN

Een Faculteit om te Ontdekken

6

Ellen Backus

Dronken moleculen zwalken op de trap

10

Theo van de Bogaart

De perfecte schoonheid van gelijkvormigheid

14

Paul Bundock

Plant heeft springend gen getemd

18

Arnaud Hauer

Vaccin voorkomt aderverkalking

22

Siegfried Nijssen

Spitten in een mijn vol molecuulmodellen

26

Wil Tamis

Flora onder de loep

30

Glenn van de Ven

Gestript door de Melkweg

34

Jasper van Wezel

Nieuwe kink in de kabel voor quantumcomputer

38

Boeken voor onder de kerstboom

Colofon

Adres

Tekst

Opmaak en druk

Nienke Beintema (Arnaud Hauer, Wil Tamis, Glenn van de Ven en Jasper van Wezel), Rob Smit (Theo van den Bogaart en Siegfried Nijssen), Willie van Strien (Paul Bundock) en Bruno van Wayenburg (Ellen Backus)

Karstens Druk met Communicatie Leiden

Faculteit der Wiskunde en Natuurwetenschappen Postadres Postbus 9502 2300 RA Leiden

Oplage 8000

Copyright

Bezoekadres Gorlaeus laboratorium Einsteinweg 55 Leiden

Redactie Jos van den Broek

Portretfoto’s Gert Jan Koster (Paul Bundock), Hielco Kuipers (Ellen Backus, Theo van den Bogaart, Arnaud Hauer, Wil Tamis, Glenn van de Ven en Jasper van Wezel) en Siegfried Nijssen (Siegfried Nijssen)

Faculteitsbureau Faculteit der Wiskunde en Natuurwetenschappen Universiteit Leiden december 2005

Secretariaat kamer B114

Overname van de artikelen is toegestaan met juiste vermelding van de bron

Fax 071 527 69 97

Telefoon 071 527 69 90

E-mail info@fwnbur.leidenuniv.nl Website www.science.leidenuniv.nl

Een Faculteit om te Ontdekken De Faculteit der Wiskunde en Natuurwetenschappen aan de Universiteit Leiden wil excelleren in het onderzoek en onderwijs van onze disciplines: wiskunde, informatica, natuur- en sterrenkunde, scheikunde, biologie en biofarmacie. Multidisciplinaire samenwerking streven wij na o.a. op het gebied van Bio-Science, het centrale thema van onze faculteit. Op dit gebied werken we nauw samen met het LUMC en de TU Delft.

biologen is essentieel voor het realiseren van onze ambities in Bio-Science. Wij blijven streven naar excellente technische, onderwijskundige en bestuurlijke faciliteiten.

Professionele bedrijfsvoering moet ervoor zorgen dat we ook financieel gezond blijven, hoewel aantal en complexiteit van onze financieringsbronnen voortdurend toenemen.

Bovenstaande is een korte samenvatting van de strategie van de faculteit voor de komende jaren. Dat deze strategie niet helemaal nieuw is, blijkt uit de vele successen behaald in 2005. Wij zijn trots op de lange lijst onderscheidingen en prijzen.

Multidisciplinaire samenwerking vindt ook plaats in de regio met de bedrijven in het Bio-Science Park en met Naturalis; in nationaal verband zoals in het Lorentz Center, NOVA, LOFAR, NHN, NIOK, Cyttron en het Top Instituut Pharma; internationaal in meerdere EU-projecten. Met een excellente onderzoeksomgeving, in een faculteitsbrede Graduate School, trachten we toptalent uit binnen- en buitenland naar Leiden te trekken. Onze criteria bij de keuze van wetenschappelijk onderzoek zijn: wetenschappelijke ‘impact’, technologische innovatie en maatschappelijke relevantie.

•

Thijs Aartsma, Marco Beijersbergen, Erik Biessen, Tony Durston, Louise Fresco, Frank Israel, Mark Koper, Gijs van der Marel, Johan Memelink, Matthieu Noteborn en Erik Smets werden benoemd tot hoogleraar in onze faculteit.

• Joost Kok werd mede benoemd in het LUMC. • Patsy Haccou werd benoemd tot deeltijdhoogleraar bij de Chambers Universiteit in Gotenburg.

Intensieve samenwerking met het middelbaar onderwijs in de regio moet de studenteninstroom op bachelor-niveau doen groeien. Samenwerking met het HBO en (inter-)nationale onderzoekscholen moet meer master- en PhD-studenten naar Leiden trekken. Studeren in een onderzoeksomgeving moet leiden tot het vergroten van ons rendement, en de academische vorming zal onze afstudeerders helpen bij hun verdere carrière.

• Sjoerd Verduyn Lunel werd benoemd tot wetenschappelijk directeur van het Mathematisch Instituut (MI) en het Leiden Institute for Advanced Computer Science (LIACS), als opvolger van Gerrit van Dijk.

• Jaap Brouwer volgde Jan Reedijk op als wetenschappelijk directeur van het Leiden Institute of Chemistry (LIC).

Implementatie van de ‘tenure-track’ is de eerste prioriteit in ons personeelsbeleid. Unilocatie voor onze

1

• Paul Hooykaas werd benoemd tot wetenschappelijk directeur van het Instituut Biologie Leiden (IBL), op de plaats van Eddy van der Meijden.

• Meindert Danhof volgde Gerard Mulder op als wetenschappelijk directeur van het Leiden/ Amsterdam Centre for Drug Research (LACDR).

• Erik Smets nam de leiding over van Pieter Baas bij het Nationaal Herbarium Nederland (NHN).

• Ewine van Dishoeck (Sterrewacht Leiden, STRW) ontving de Physica-prijs.

• Joop Schaye (STRW) ontving een EU Marie Curie Excellence Grant.

• John Mydosh (LION) ontving de Humbold Research Award.

• Jan Hogendijk (MI) ontving van de Iraanse regering de World Prize of the Book of the Year.

• Dirk van Delft ontving de NWO-Eureka-prijs voor het populariseren van de wetenschap.

• Frank den Hollander (MI) werd lid van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW).

• Joke Bouwstra (LACDR) werd de eerste vrouwelijke Simon Stevin Meester van de Technologiestichting STW. • Pieter Baas (NHN-LEI) werd Ridder in de orde van de Nederlandse Leeuw.

• Bas Edixhoven (MI) werd VICI-laureaat (NWO).

• Bioloog Merlijn van Weerd (Instituut voor Milieuwetenschappen, CML) won met het CROC-team van het CML de hoofdprijs van het BP Conservation Programme.

• Oud-promovendus Sylvie Roke (LION) kreeg een ‘Independent Junior Research Group’ subsidie van het Duitse Max-Planck-Gesellschaft.

• Eric Smets (NHN) werd gekozen tot Honorary corresponding Fellow van de Linnaean Society of London.

• Grzegorz Rozenberg (LIACS) ontving een eredoctoraat van de Universiteit van Bologna.

• Jan Slikkerveer (NHN-LEI) ontving een eredoctoraat van de universiteit Padjadjaran in Indonesië.

• Ron de Kloet (LACDR) ontving de Geoffry Harris-prijs.

• Angela Sarabdjitsingh (LACDR) kreeg een Mozaïeksubsidie van NWO. • Monique Wesselink (Biologie) ontving de Unilever research-award.

• Suzanne Lubbe (Biologie) won de LUF Internationale Studiefonds-prijs.

• Emmy van Nieuwkoop (NHN-LEI) werd erelid van de International Association of Wood Anatomists.

• Youssef Benzaim (Natuurkunde, Science-Based Business) ontving de New Venture-prijs.

• Michiel Helversteijn (LIACS) ontving de Jong Talent-prijs van de Koninklijke Hollandse Maatschappij voor Wetenschappen.

• Anita Walsmit (NHN-LEI) ontving de gouden medaille van de Royal Horticultural Society (Engeland).

• Jos Disselhorst van het Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde (LION) kreeg de ‘Silver Medal for Instrumentation 2005’ van de EPR/ESR Society.

2

• Mischa Bonn (LIC) en Jan Kramer (MI) werden geïnstalleerd in de Jonge Akademie van de wetenschapsorganisatie KNAW.

Daar komen nog acht prijswinnaars bij, want wij hebben de wetenschappelijk directeuren van onze instituten de moeilijke vraag gesteld wat volgens hen de ontdekking was van het jaar 2005. Interviews met de ontdekkers staan in dit boekje en op de website: www.science.leidenuniv.nl/ontdekkervanhetjaar

• Jared Diamond hield de Tinbergenlezing, en Frans Saris de oratie bij de viering van het 430-jarig bestaan van de Universiteit Leiden.

Op deze website kunt u uw stem uitbrengen op de degene die volgens u de Ontdekker van het Jaar is.

Daarnaast is er een wetenschappelijke jury die ook een Ontdekker van het Jaar kiest. De publiekswinnaar en de juryprijswinnaar krijgen op 9 januari 2006, tijdens de nieuwjaarsreceptie in de hal van het Gorlaeus, de C.J. Kokprijs uitgereikt.

• Marcel Rost (LION) ontving een belangrijke onderzoekssubsidie van de Technologiestichting STW. • Fahrad Arbab (LIACS) kreeg van NWO een onderzoekssubsidie in de categorie ‘Global computer science’ (GLANCE).

• Lies Bouwman en Gilles van Wezel (beiden LIC) ontvingen van NWO een ECHO-subsidie.

• VIDI-subsidies van NWO gingen naar Michiel de Dood (LION), Miranda van Eck (LACDR), Onno van Gaans (MI), en Navraj Pannu (LIC).

• VENI-subsidies van NWO waren er voor Raoul Frese (LION), Femmie Kraaijeveld-Smit (IBL), Stefania Tanase-Grecea (LIC), Tracy Webb (STRW), en Armand Tepper (LIC).

Wij wensen u veel leesplezier.

Het bestuur van de Faculteit der Wiskunde en Natuurwetenschappen, Joris Berkhout Gert Jan van Helden Jan Kijne Frans Saris

• De onderwijsprijzen gingen dit jaar naar Gerard Mulder (Bio-farmaceutische Wetenschappen), Frans Witte (Biologie), Bart Kienhuis (Informatica), Edgar Blokhuis (Life Science & Technology, LST), Jasper van Wezel (Natuurkunde), Gerrit Lodder (Scheikunde), Jaap Haasnoot (Sustainable Molecular Science & Technology, SMST), Ignas Snellen (Sterrenkunde), en Bart de Smit (Wiskunde).

3

Ontdekkers van

Ellen Backus pagina 6

Theo van de Bogaart pagina 10

Siegfried Nijssen pagina 22

Wil Tamus pagina 26

4

het jaar 2005

Paul Bundock pagina 14

Arnaud Hauer pagina 18

Glenn van de Ven pagina 30

Jasper van Wezel pagina 34

5

6

Ellen Backus “Je werkt eigenlijk toch een beetje op de tast.”

FOTO: HIELCO KUIPERS

Dronken moleculen zwalken op de trap Koolstofmonoxide-moleculen blijken veel sneller over een platinaoppervlak te bewegen dan gedacht, en bovendien op een andere manier. Ze zwalken als dronkemannen over het katalysator-oppervlak.

Miljoenen auto’s rijden inmiddels met een katalysator rond, maar eigenlijk begrijpen we nog niet écht wat daar binnenin gebeurt, zegt dr. Ellen Backus. Oké, we weten dat schadelijke koolmonoxidemoleculen (CO) aan het platinaoppervlak blijven kleven, net zoals stikstofoxiden, en dat die twee elkaar daar dan vroeg of laat tegenkomen om te reageren tot koolstofdioxide en stikstof.

Maar hoe gaat het nou precíes? Op wat voor manier en hoe snel bewegen de moleculen over het oppervlak?

Waarom lijkt de reactie vooral plaats te vinden bij defec-

ten, plaatsen waar de regelmaat in het platinakristalrooster verstoord is? “Dat weten we niet,” zegt Backus, “en niemand heeft het ook echt zien gebeuren.”

Dat wil zeggen, tot nu toe, want eind 2005 publiceren Backus en haar collega’s Mischa Bonn, Andreas Eichler en Aart Kleyn in het wetenschappelijk tijdschrift Science voor het eerst opnamen van de snelle bewegingen van CO-moleculen over een platinaoppervlak. Deze moleculen bleken veel sneller te bewegen dan gedacht, en bovendien op een andere manier. “Iedereen dacht altijd dat de CO-moleculen rechtstandig over het oppervlak bewogen, springend van atoom naar atoom, maar wat wij zagen was meer een dronkemansbeweging”, vertelt onderzoekster Backus.

Ellen Backus (1978) was op school in Beverwijk al weg van exacte vakken. Nog even overwoog ze wiskunde te gaan studeren, maar ze koos toch voor het praktische van scheikunde, “(...) ook omdat ik dan natuurkunde, scheikunde, wiskunde en biologie zou kunnen combineren.” In haar studie trok fysische chemie, de meer natuurkundige kant van de scheikunde, haar al het meeste aan. “Vooral lasers en spectroscopie vond ik mooi”, zegt de onderzoekster, die afstudeerde op onderzoek aan gasmoleculen. De belangstelling kreeg vervolg in haar promotieonderzoek naar moleculen op metaaloppervlakken, van 2000 tot 2005. In 2006 vertrekt Backus naar het Zwitserse Zürich, om daar als postdoc onderzoek te doen naar energietransport in biomoleculen.

Real-time Tot dan toe waren veel opnamen van moleculen op metaaloppervlakken gemaakt met de Scanning Tunneling Microscoop (STM), die het oppervlak langzaam in groot detail aftast. “Je kunt dan de situatie vooraf en achteraf kijken, maar niet in real-time”, zegt Backus. Zij bouwde, om daaraan tegemoet te komen, in vacuüm een opstelling waarmee ze CO-moleculen op platina wel kon betrappen, door ze te beschijnen met ultrakorte infrarode laserpulsen. Het spectrum van het gereflecteerde licht, deels geabsorbeerd door de CO-moleculen, zegt vervolgens

7

“Toen wisten we dat we hadden wat we zochten.”

iets over hun positie op het platinaoppervlak.

Dat oppervlak was zo geprepareerd dat het een getrapte structuur bezit, met vlakke terrassen, gescheiden door richels. CO-moleculen binden liever aan platina-atomen in de richels dan aan atomen in de vlakke terrassen; het gereflecteerde laserlicht heeft in beide gevallen een iets ander spectrum, zodat te zien is hoe de moleculen over richels en terrassen verdeeld zijn.

Maar dat is nog niet hetzelfde als beweging zien.

Daarvoor vuurde Backus met een tweede laser eerst een felle laserpuls, de ‘pomppuls’, af op een oppervlak. Het doel was de CO-moleculen in beweging te brengen, een beweging die picoseconden later werd vastgelegd met een volgende, infrarode laserpuls, de ‘meetpuls’.

Backus: “We zagen aan het spectrum dat de moleculen van de richels naar de terrassen bewogen. En als je de pomppulsen weer uitzette, bewogen ze weer terug naar hun oude plek. Toen wisten we dat we hadden wat we zochten.”

Door de timing van de meetpuls te variëren, viel af te leiden hoe snel de CO-moleculen over het oppervlak schoven. En dat bleek veel sneller dan verwacht: binnen een halve picoseconde (een picoseconde is een miljoenste van een miljoenste seconde) dansten de CO-moleculen van richel naar terras of terug.

verschillende manieren mee in trilling kunt brengen”, zegt Backus. CO-moleculen die aan een platina-atoom vasthangen, kunnen rechtstandig heen en weer trillen, maar ze kunnen ook waggelen. Daarbij bewegen koolstof- en zuurstofatoom steeds in tegenovergestelde richtingen, een beetje als hoofd en benen van een zwalkende dronkeman.

Bij gewoon verwarmen doen al deze trillingsmodi even hard mee, maar met een laserpuls kon bijvoorbeeld alleen de waggelende beweging aangeschakeld worden.

Uit Backus’ metingen bleek dat deze trillingsmodus de CO-atomen veel sneller over het oppervlak liet springen dan andere; de waggelbeweging draagt dus ook in normale omstandigheden het meeste bij aan het van atoom tot atoom springen van de CO-moleculen.

“Dat was echt dé ontdekking van mijn promotieonderzoek, ook omdat het heel lastig is geweest om de opstelling te bouwen en een goed signaal te krijgen”, vertelt de onderzoekster. Het werken met een vacuümopstelling en femtosecondelasers is enigszins omslachtig. “Je werkt toch een beetje op de tast.”

Glad ijs Het opbouwen kost maanden, en weken preparatiewerk kunnen met één foutje tenietgedaan worden, “Iets op de opstelling laten vallen, of de laser even te hard zetten zodat je een krater in je oppervlak brandt,” weet de onderzoekster uit eigen ervaring, “maar het geeft dan ook wel veel voldoening als je eindelijk je signaal hebt.”

Sterker nog: het indirecte van het onderzoek vindt de onderzoekster eigenlijk ook het aantrekkelijke en uit-

Trillingsmodi Ook hadden Backus en collega’s meteen een idee waarom de moleculen sneller bewogen dan verwacht: ze bewogen ook op een andere manier dan gedacht. “Het mooie van die pomppulsen is dat je er de moleculen er op

8

UIT BACKUS’ METINGEN DAT DE WAGGELBEWEGING OOK IN NORMALE OMSTANDIGHEDEN HET MEESTE BIJDRAAGT AAN HET VAN ATOOM TOT ATOOM SPRINGEN VAN DE CO-MOLECULEN.

dagende eraan. “Je kunt niets echt zien; de laserpulsen niet, de moleculen niet, de atomen in het oppervlak niet, maar toch kun je er op deze manier heel veel over te weten komen. Zo kun je je voorstellen dat je ook zuurstof op het oppervlak brengt, en dan de reactie met CO volgt.”

die niemand nog wist.”

Naast publicaties in vakbladen als Physical Review Letters en Science kreeg de kersverse doctor ook een kans om fysisch-chemische inzichten aan een groot publiek te verkondigen: het kinderprogramma ‘Klokhuis’ heeft met haar begin december een aflevering opgenomen over de vraag “Waarom is ijs glad?”. (Antwoord: Omdat het buitenste laagje vloeibaar is.)  bruno van wayenburg

In de allereerste plaats leidt zulk onderzoek tot beter begrip van katalysatoren en oppervlakken, maar misschien uiteindelijk ook tot betere, of goedkopere katalysatoren. “Indirect doe je het daar ook wel voor,” zegt Backus, “maar eigenlijk vind ik het vooral leuk om in het lab bezig te zijn en dan ook nog leuke dingen te ontdekken,

9

10

Theo van den Bogaart “Ik houd mij bezig met een vorm van verwantschap die isomorfie wordt genoemd.”

FOTO: HIELCO KUIPERS

De perfecte schoonheid van gelijkvormigheid Theo van den Bogaart doet onderzoek naar de isomorfie van bepaalde klassen moduliruimten. Die ruimten zijn zelf ook weer meetkundige objecten, zodat ermee kan worden gerekend. Zelfs bij de meeste wiskundigen gaat er geen lichtje branden als over dit onderwerp wordt gesproken. Specialisten worden echter deze lyrisch van deze vorm van perfecte wiskunde. van krommen. Dergelijke zaken roepen bij mij een sterk gevoel van schoonheid op.”

Zijn voorkeur voor algebraïsche meetkunde ontdekte hij al vroeg tijdens zijn studie wiskunde in Utrecht, en dus lag het voor de hand dat hij zich in die richting zou specialiseren. Maar zelfs de algebraïsche meetkunde was nog te veelomvattend. “Uiteindelijk besloot ik me te concentreren op de relatie tussen getaltheoretische en meetkundige eigenschappen van moduliruimten, en dat is ook het onderwerp waarop ik eind 2006 hoop te promoveren.”

Hmmm, dat is niet iets dat bij veel mensen een lichtje zal doen branden. “Zelfs niet bij vakgenoten,” beaamt Van den Bogaart. “Mijn vrouw is ook wiskundige; toch kunnen wij aan tafel nooit eens lekker babbelen over de ins en outs van moduliruimten. Het vereist nu eenmaal jaren van studie om in een dergelijk onderwerp door te dringen, en zij heeft zich in een hele andere richting gespecialiseerd.” De twee hebben elkaar ontmoet tijdens hun studie wiskunde in Utrecht. Niet omdat ze samen in dezelfde collegezaal gezeten hebben, maar omdat ze in

Waarom Theo van den Bogaart zijn hart heeft verpand aan de algebraïsche meetkunde, of liever aan de algebraïsch-meetkundige kant van de getaltheorie. Daarover hoeft de assistent-in-opleiding van het Mathematisch Instituut niet lang na te denken: “Omdat algebraïsche meetkunde de mooiste vorm van wiskunde is. Wiskunde in het algemeen is al mooi omdat je daarmee in structuren kunt denken. Maar in de algebraïsche meetkunde is het denken in structuren het verst doorgevoerd. Om je een voorbeeld uit mijn eigen vakgebied te geven: behalve individuele vergelijkingen of krommen bestudeer ik klassen van krommen, en zelfs complete moduliruimten Theo van den Bogaart (27) studeerde wiskunde in Utrecht en is assistant-in-opleiding bij het Mathematisch Instituut in Leiden. In 2006 hoopt hij te promoveren. Sinds 1998 assisteert hij bij diverse werkgroepen, variërend van bijspijkercursussen middelbare-schoolwiskunde tot vakken voor hogerejaars wiskundestudenten. Ook organiseert hij een studentenseminarium over algebraïsche meetkunde voor masterstudenten.

11

“Zo kon uiteindelijk een vermoeden worden omgezet in een concreet bewijs.”

Isomorfie en auto’s

1998/99 allebei bestuurslid van de studievereniging voor wis- en natuurkunde waren.

“Twee krommen zijn isomorf als ze door een bepaalde omvorming in elkaar over kunnen gaan, niet alleen heen, maar ook terug. Van alle krommen die op een bepaalde manier isomorf zijn, kun je vervolgens zeggen dat ze een punt in een zogenaamde moduliruimte vormen.

Met andere woorden: een punt in de moduliruimte stelt een isomorfieklasse van krommen voor. Het interessante is nu dat zo’n moduliruimte zelf ook weer een meetkundig object is. Met moduliruimten kun je dus rekenen; door dat op een slimme manier te doen, kun je het nodige over hun eigenschappen te weten komen. Mijn onderzoek richt zich op een vrij grote klasse van moduliruimten die enkele gemeenschappelijke eigenschappen hebben. Als je op grond van deze eigenschappen iets zinvols kunt beweren, geldt dat dus automatisch voor alle moduliruimten die over deze eigenschappen beschikken.”

Hij vervolgt: “Overigens spreek je alleen van moduliruimte als de moduli – d.w.z. de samenstellende elementen – een meetkundig object vormen. Is dat niet het geval, dan is moduliverzameling een betere benaming.” Hij neemt auto’s als aansprekend voorbeeld: “Daar zou je moduliverzamelingen voor kunnen ontwerpen. Ook dan kun je van isomorfie spreken. Bijvoorbeeld kun je zeggen dat twee auto’s isomorf zijn als ze van hetzelfde merk zijn. Of dezelfde kleur hebben, of hetzelfde brandstofverbruik. In het geval van merk-isomorfie vormt ieder merk een punt in de moduliverzameling. Met andere woorden: één punt correspondeert met alle Opels, één met alle Lada’s, etc.”

Algebraïsche vergelijkingen vs. meetkundige figuren Toch wil hij wel een poging wagen de aard van zijn promotieonderzoek uit te leggen: “Polynoom- of veeltermvergelijkingen zijn vergelijkingen zoals x2 + y2 = 1. De oplossingen hiervan kun je grafisch weergeven. Zo beschrijft de genoemde vergelijking een cirkel. Er zijn dus twee manieren om tegen hetzelfde ding aan te kijken: via algebraïsche vergelijkingen en via meetkundige figuren.

Dit is de essentie van de algebraïsche meetkunde.”

“Het probleem is alleen dat je oneindig veel polynoomvergelijkingen kunt opstellen. Je moet ze dus filteren op bepaalde eigenschappen. Ik heb me daarbij geconcentreerd op zogenaamde moduliruimten van krommen. Krommen zijn objecten zoals de al genoemde cirkel, of bijvoorbeeld een parabool, een U-vormig object gegeven door de vergelijking y=x2. Maar natuurlijk kunnen de vergelijkingen veel uitgebreider zijn, of meer variabelen hebben.

De wiskunde-aio legt uit dat tussen krommen een bepaalde algebraïsche verwantschap kan bestaan; het probleem is echter dat krommen die voor het oog op elkaar lijken niet noodzakelijkerwijs algebraïsch verwant hoeven te zijn, terwijl krommen die nogal van elkaar lijken te verschillen dat wel kunnen zijn. “Je moet het begrip ‘verwantschap’ dus heel precies definiëren. Ik houd mij bezig met een vorm van verwantschap die isomorfie wordt genoemd.”

12

Tellen op Texel Het onderzoek van Van den Bogaart raakte in een stroomversnelling na een bezoek aan Texel, zo’n anderhalf jaar geleden. Niet om eens lekker uit te waaien na maanden van peinzen en rekenen, maar om een vijfjaarlijkse conferentie over algebraïsche meetkunde bij te wonen.

Op die conferentie ontmoette hij een groep onderzoekers die een manier had ontwikkeld om de punten in een moduliruimte te tellen – een hele prestatie als je bedenkt dat zich daar oneindig veel punten in kunnen bevinden. Om verder te komen, was echter bepaalde getaltheoretische kennis nodig, die buiten het onderzoeksgebied van de groep in kwestie lag.

Van den Bogaart beschikte daar wel over, en zo kon uiteindelijk een vermoeden worden omgezet in een concreet bewijs. Dit bewijs zegt iets over de verhouding tussen de objecten in de moduliruimte, waarbij dimensionaliteit een belangrijke rol speelt. Iets in de trant van: als A en B gelden, dan geldt ook C. Hoewel dit voor de leek allemaal erg abstract klinkt is Van den Bogaart er enthousiast over: “Zelfs al weet je bijna niets over objecten in een bepaalde wiskundige klasse; door iets slims te doen met de dingen die je wel weet, kun je die objecten toch een beetje openbreken. En dat biedt hoop voor de toekomst, want zelfs vakgebieden die ondoordringbaar lijken, kunnen klaarblijkelijk stukje bij beetje toegankelijk gemaakt worden.”

assisteert hij bij diverse werkgroepen, variërend van bijspijkercursussen middelbare-schoolwiskunde tot vakken voor hogerejaars wiskundestudenten. Dit semester loopt hij rond bij wiskunde voor de studie Life-Science and Technology, waar hij studenten helpt met de opgaven.

Ook organiseert hij een studentenseminarium over algebraïsche meetkunde voor masterstudenten.

Maar wat doet hij nu liever: onderzoek of lesgeven?

En wat hoopt hij te gaan doen na zijn promotie? “Ik vind zowel onderzoek als onderwijs erg leuk en het zou dus fantastisch zijn als ik een baan kan vinden waarin beide aan bod komen. Gezien mijn interesse en de hoeveelheid tijd die ik er al ingestoken heb, zal toekomstig onderzoek in het verlengde van mijn huidige onderzoek moeten liggen, maar wat onderwijs betreft maakt het me niet zoveel uit. De kans dat ik zo’n combinatie zal vinden, is echter niet zo groot: in Nederland zijn zulke banen schaars, maar ik heb het er op dit moment niet voor over om naar het buitenland te verhuizen.”  rob smit

Onderzoek of lesgeven?

Tijdens zijn assistentschap heeft Van den Bogaart zich niet alleen bezig gehouden met theoretisch onderzoek, maar ook met de praktijk van het lesgeven. Al sinds 1998

13

14

Paul Bundock “Een transposase kon nooit de transcriptiefactor zijn die ik zocht.”

FOTO: GERT JAN KOSTER

Plant heeft springend gen getemd Transposons hebben een slechte naam. De eigenzinnige stukjes DNA springen rond, en kunnen daardoor de functie belemmeren van de genen waarin ze terechtkomen. Paul undock vond echter een transposon dat zich verdienstelijk maakt voor de plant waarin hij zit.

Al vanaf zijn studietijd is Bundock geïnteresseerd in planten-biotechnologie en het onderzoek dat daarvoor nodig is. Die belangstelling, in combinatie met zijn Nederlandse vrouw, bracht hem zo’n tien jaar geleden naar Leiden. Daar gebruikte de groep van prof. dr Paul Hooykaas de bacterie Agrobacterium tumefaciens om genen in te bouwen in het erfelijk materiaal – het DNA – van planten.

De biotechnologen zetten het in te bouwen gen in de bacterie; die levert dat vervolgens af in plantencellen.

Bundock veranderde de bacterie zó, dat die geschikt werd om ook aan gistcellen en andere schimmels een gen te bezorgen. “Dat was een hele uitkomst voor de vele mensen die schimmels gebruiken om nuttige eiwitten mee te produceren,” vertelt hij. “Ze hadden nog geen echt goede methode om de genen die voor die eiwitten coderen in een schimmel in te brengen. Met onze Agrobacterium kunnen ze dat nu veel beter dan vroeger.”

Toen dat werk was afgerond, stapte hij over op het plantje Arabidopsis thaliana. Dit veel voorkomende onkruid met de Nederlandse naam zandraket is hét model voor vele plantenonderzoekers. Hij wilde proberen een vinger te krijgen achter de mechanismen die planten hebben om breuken in het DNA te repareren. Het nut daarvan voor biotechnologen is duidelijk: willen zij een gen inbouwen in het planten-DNA, dan komt het er grof gezegd op

Mislukte proeven: dat is natuurlijk even slikken. Maar de kunst is je daar niet meteen door te laten ontmoedigen. “Vernieuwend, baanbrekend onderzoek komt vaak voort uit rare resultaten,” zegt Paul Bundock. Hij ondervond dat aan den lijve: hij vond iets dat hij niet zocht, en deed daarmee een fundamentele ontdekking. En dat terwijl zijn onderzoek nogal op toepassing was gericht.

Het leverde een publicatie op in Nature (14 juli 2005) en een nominatie als ‘ontdekker van het jaar’. “Zoiets gebeurt maar één keer tijdens je loopbaan,” verwacht hij.

De strekking van zijn verhaal: een stukje DNA dat overbodig of lastig leek, blijkt absoluut onmisbaar in de ontwikkeling van planten.

Dr. Paul Bundock werd in 1970 in Engeland geboren.

Hij studeerde biologie aan de University of East Anglia in Norwich en specialiseerde zich in de moleculaire plantkunde. Na een stage bij het John Innes Centre voor plantkunde en microbiologie, ook in Norwich, en een jaar in Madrid kwam hij, afgestudeerd, naar de sectie van prof.

Dr Paul Hooykaas, waar hij in 1999 promoveerde op een onderzoek naar Agrobacterium tumefaciens. Daarna had hij in Leiden twee post-doc aanstellingen voor werk met Arabidopsis. Tegenwoordig werkt Bundock bij het biotechbedrijf Keygene in Wageningen.

15

“Ik dacht: Misschien heeft dit eigenaardige gen tóch enige betekenis voor de plant!”

neer dat ze het planten-DNA ergens doorknippen, het gen invoegen en aan weerskanten vastplakken. Dat vastplakken, door de plantencellen zelf uitgevoerd, is in wezen een DNA-reparatie.

Cellen hebben verschillende manieren van DNAreparatie, en de daarvoor verantwoordelijke genen zijn bekend. Zoals alle genen worden ze aangeschakeld als een zogenoemde transcriptiefactor (een ‘overschrijfhulp’) bindt op een stukje DNA direct vóór een gen; in dit geval kan het ‘reparatiegen’ dan worden overgeschreven en de informatie ervan vertaald tot reparatie-eiwit. Bundock was nu op zoek naar transcriptiefactoren die bepaalde reparatiegenen aanzetten.

“Een transposase kon nooit de transcriptiefactor zijn die ik zocht. Ik dacht dat het puur toeval was dat dit transposase bond bij dat reparatiegen. Ik heb er een half jaar niets mee gedaan, beschouwde dit werk als mislukt en begon met wat anders.”

Maar het vreemde resultaat bleef toch door zijn hoofd spoken en hij wilde meer weten van dit transposase. Het feit dat Arabidopsis een modelplant is, maakt dat er veel van bekend is. Het gen dat codeert voor het transposase dat Bundock gevonden had, bleek gen ‘At3g42170’ te zijn.

Een buitenbeentje. Bundock: “Omdat transposons midden in een normaal gen kunnen belanden en dan de functie daarvan kunnen ontwrichten, zijn ze gevaarlijk.

Organismen waarbij ze in het DNA zitten (en ze komen bij alle soorten organismen voor), doen dan ook hun best om ze op non-actief te zetten. Arabidopsis heeft 246 tot zwijgen gebrachte springers van dit type. Wetenschappers rekenen die tot junk-DNA, dat is DNA dat niet wordt afgelezen en dus geen functie heeft.” In tegenstelling tot de meeste andere transposons komt At3g42170 echter wel tot expressie. Het was bekend dat het wordt afgelezen en vertaald tot eiwit, en Bundock had dat eiwit nu aangetroffen.

Hij besefte ook dat het eiwit zijn knip-en-plak-functie niet kan uitoefenen. Het gen dat voor het eiwit codeert, is namelijk geen volledig transposon; aan weerskanten ontbreken de typische DNA-stukjes waardoor het transposase het kan losknippen. Bundock: “Dit DNA-stuk kan dus niet meer springen, het zit vast. Waarom zou het dan toch tot expressie komen?” Hij begon zich af te vragen of dit eigenaardige gen misschien enige betekenis heeft

Kwajongens Maar hij vond iets veel mooiers. Met de beschikbare moleculaire methoden was het niet moeilijk om bij Arabidopsis eiwitten op te sporen die vlak voor die reparatiegenen aan het DNA binden en Bundock vond inderdaad zo’n eiwit. Alleen: het was een heel gek eiwit. Het had namelijk precies de bouw van een transposase.

Transposases zijn enzymen die worden gemaakt op voorschrift van zogenoemde transposons. Dat zijn de kwajongens van het DNA: eigenzinnige stukjes erfelijk materiaal die van plaats naar plaats springen. Bundock: “Er bestaan verschillende typen van, en het gaat hier om een type van transposons die zichzelf als het ware uit het DNA knippen en elders weer tussenplakken. Een transposase, het enzym waarvoor deze transposons coderen, voert dat knip-en-plakwerk uit.”

De uitkomst van de proeven leek hem daarom onzin:

16

ZONDER HET DAYSLEEPER-GEN ONTWIKKELT EEN ARABIDOPSIS-PLANTJE ZICH HELEMAAL NIET. MET EEN EXTRA DAYSLEEPER-GEN ONTSTAAN ALLERLEI ONTWIKKELINGSSTOORNISSEN. OP DE FOTO BIJVOORBEELD EEN ABNORMALE BLOEISTENGEL.

voor de plant. Een vreemde gedachte, maar het bleek wel de cruciale vraag.

voor de genen van het reparatiemechanisme. “Maar we zagen wel dat het de expressie van een groot aantal genen beïnvloedt. Oude transposons verworden dus niet altijd tot junk-DNA.” Hoe is dit te verklaren? Misschien was DAYSLEEPER ooit een transposon dat knippend en plakkend rondsprong en daarbij reparatiegenen aanschakelde. Arabidopsis zou deze kwajongen hebben getemd door het springen onmogelijk te maken en het transposase-eiwit met het vermogen om reparatiegenen aan te schakelen voor eigen doeleinden te gebruiken. Maar het omgekeerde verhaal is ook niet uit te sluiten; misschien waren transposons ooit nette transcriptiefactoren die rebels werden en voor zichzelf zijn begonnen. Transposons en transcriptiefactoren zijn oeroud en hun ontstaan is onbekend.

Hoe het ook zij, deze ontdekking geeft moleculair biologen een verrassende kijk op transposons. Je moet geluk hebben om toevallig op zo’n vondst te stuiten, vindt Bundock. “Maar dat is niet alles. Je moet ook durven inzien dat een gekke uitkomst iets kan betekenen, je moet nieuwsgierig worden en de vrijheid krijgen om het uit te diepen. En die vrijheid heb ik gekregen.”  willy van strien

Nieuwsgierig Bundock verzon allereerst een sprekender naam voor het gen. Omdat in de expressie een dag-en-nachtritme zit, werd die naam DAYSLEEPER. Voor Arabidopsis bestaat een mutantenbank, en daar bestelde hij een mutant waarbij DAYSLEEPER is uitgeschakeld. Zaden daarvan zag hij wel ontkiemen, maar daarmee hield het op: “De kiemblaadjes groeiden niet en er kwam geen echte wortel aan.

Slechts één procent van de zaailingen maakt uiteindelijke een klein beetje groen bladweefsel aan. Als we een intact DAYSLEEPER-gen inbrachten in zo’n zaad, ontwikkelde zich wel een normale plant.” Hij maakte ook planten met een extra DAYSLEEPER-gen, en ook die ontwikkelden zich abnormaal.

“Dit transposon-achtig gen is dus niet lastig of overbodig, maar speelt juist een essentiële rol in de ontwikkeling van de plant,” zegt Bundock. “Dat was een opzienbarende ontdekking.” Om terug te gaan naar het oorspronkelijke doel van het onderzoek: hij heeft niet kunnen aantonen of het eiwit een transcriptiefactor is

17

18

Arnaud Hauer “Aderverkalking begint vaak al als we een jaar of twintig zijn.”

FOTO: HIELCO KUIPERS

Vaccin voorkomt aderverkalking Aderverkalking is wereldwijd de belangrijkste doodsoorzaak. Leidse onderzoekers ontwikkelden een revolutionair vaccin, gericht tegen een lichaamseigen eiwit, dat het ontstaan van aderverkalking sterk remt.

“Hart- en vaatziekten vormen momenteel de belangrijkste doodsoorzaak. Jaarlijks sterven er wereldwijd 11,8 miljoen mensen aan. In verreweg de meeste gevallen gaat het om aderverkalking, dus het belang van ons onderzoek is groot.” Aan het woord is drs. Arnaud Hauer, promovendus bij de afdeling Biofarmacie van het Leiden/ Amsterdam Centre for Drug Research (LACDR). Hauer en zijn co-promotor dr. Johan Kuiper ontwikkelden, samen met collega’s uit Leiden en Brussel, een vaccin dat de vorming van aderverkalking bij muizen met bijna zeventig procent vermindert. Ze hopen dat deze methode in de

toekomst ook voor mensen geschikt kan zijn.

Losscheurende plaque “Verschillende factoren kunnen aderverkalking veroorzaken”, vertelt Hauer. “Hoge bloeddruk, een hoog cholesterolgehalte, roken, maar ook infecties kunnen een rol spelen. Deze factoren zorgen ervoor dat het endotheel, de binnenbekleding van een bloedvat, beschadigd raakt.

Daardoor kunnen er pakketjes cholesterol uit het bloed terechtkomen tussen het endotheel en de laag gladde spieren die eronder ligt.”

Hetzelfde gebeurt met witte bloedcellen. Eenmaal in die ruimte veranderen de witte bloedcellen van karakter.

Ze differentiëren tot macrofagen: cellen die gemakkelijk schadelijke stoffen kunnen opruimen door ze in zich op te nemen. Hauer: “In dit geval ruimen de macrofagen de cholesterolpakketjes op. Zo stapelt zich in de loop der jaren vet op in die macrofagen. Dit proces begint vaak al als we een jaar of twintig zijn.”

Geleidelijk aan groeit er een kapje van gladde spiercellen over de laag van de vetrijke cellen heen. Ook hoopt er zich calcium in dit complex op, vandaar de term ‘aderverkalking’. “Al met al ontstaat er een plaque die het bloedvat ingroeit,” zegt Hauer. “Het kapje voorkomt dat er vet in contact komt met het bloed.”

Arnaud Hauer (1977) werd vier keer achtereen uitgeloot voor de studie geneeskunde. Intussen studeerde hij biomedische wetenschappen en specialiseerde hij zich bij de onderzoeksgroep van prof. Theo van Berkel (Biofarmacie) in behandelmethoden voor aderverkalking. Tijdens de doctoraalfase van zijn geneeskundestudie, die hij er inmiddels naast was gaan doen, besloot Hauer bij deze zelfde vakgroep te promoveren. In oktober 2005 startte hij met zijn co-schappen in Leiden; in maart 2006 verdedigt hij zijn proefschrift. “In de toekomst hoop ik als arts betrokken te blijven bij fundamenteel onderzoek en een brug te vormen tussen het lab en de kliniek. Het sociale aspect van geneeskunde is voor mij echter onontbeerlijk.”

19

“We wilden het jarenlange proces van aderverkalking nabootsen in acht weken.”

Gebeurt dat wel, bijvoorbeeld wanneer een plaque scheurt, dan treedt er plaatselijk bloedstolling op. Zo’n stolsel kan een bloedvat volledig afsluiten. Schiet het stolsel los, dan kan het bloedvaten in de hersenen of bij het hart blokkeren. In dat geval spreken we van een infarct.

“Zo’n plaque is eigenlijk een ontstekingsreactie als gevolg van schadelijke stoffen, in dit geval cholesterolpakketjes die op de verkeerde plek zijn terecht gekomen,” legt Hauer uit. “Het afweersysteem wil die pakketjes te lijf gaan. Daarom produceert het lichaam bepaalde boodschappereiwitten, zogenaamde cytokines, die onder meer witte bloedcellen ertoe aanzetten zich te differentiëren tot macrofagen. Ook stimuleren ze een verdere ontsteking door bijvoorbeeld meer witte bloedcellen uit het bloed aan te trekken.”

Eén van die ontstekingsbevorderende cytokines is interleukine-12, of IL-12. Stel dat je de werking van IL-12 zou blokkeren, dan zou die ontstekingsreactie verminderen. Er zou zich dan minder cholesterol ophopen in de vaatwand. Met dit idee gingen de biomedici aan de slag.

Hauer: “We hebben een vaccin ontwikkeld dat bestaat uit IL-12 waaraan we een ander eiwit vast hebben gekoppeld.

Het lichaam herkent het IL-12-gedeelte niet als lichaamsvreemd, maar het eraan vastzittende eiwit wel. Dat zorgt ervoor dat er toch een afweerreactie tegen IL-12 optreedt.

Daardoor wordt de functie van IL-12, ook elders in het lichaam, geblokkeerd.”

“We wilden het jarenlange proces van aderverkalking nabootsen in deze acht weken. Daarom hebben we speciale muizen, die al aanleg hadden voor het ontwikkelen van een hoog cholesterolgehalte in het bloed, ook nog eens op een vetrijk dieet gezet,” legt Hauer uit. “Na twee weken brachten we kleine bandjes om een aantal bloedvaten aan. Die zorgden voor turbulentie in het bloed, waardoor het endotheel beschadigd raakte. Zo trad er versnelde plaquevorming op.”

Tijdens dit proces injecteerden de onderzoekers de helft van deze muizen vijf keer met hun nieuwe vaccin, met tussenpozen van twee weken. “Vervolgens controleerden we op verschillende manieren of de functie van IL-12 in deze muizen echt was uitgeschakeld. Het bleek dat IL-12, zelfs 24 weken na de vaccinatie, daadwerkelijk was geblokkeerd.”

Het effect op aderverkalking was verbluffend. In dwarsdoorsnede was een plaque bij de gevaccineerde groep 68 procent kleiner dan bij de controlegroep. “Maar nog veel belangrijker is,” zegt Hauer, “dat de plaques van de gevaccineerde dieren veel stabieler waren. Ze bevatten meer gladde spiercellen en meer collageen. Dat is een stevige extracellulaire stof die de gladde spiercellen uitscheiden.

De plaques van de gevaccineerde muizen zullen daarom minder snel scheuren.”

Als je ingrijpt in het mechanisme van een ontstekingsreactie, zou je kunnen verwachten dat er bijwerkingen optreden. IL-12 speelt immers ook een rol bij de immuunrespons tegen ziekteverwekkers zoals bacteriën. “Er zijn mensen bij wie door een genetisch defect de werking van IL-12 geremd is,” vertelt de promovendus. “Deze mensen

Vetrijk dieet De onderzoekers testten hun vaccin op muizen die in de loop van acht weken aderverkalking ontwikkelden.

20

DOORSNEDE VAN BLOEDVAT WAARIN ADERVERKALKING OPTREEDT. HET KAPJE VAN GLADDE SPIERCELLEN OVER DE VETRIJKE LAAG VAN MACROFAGEN VOORKOMT BLOEDSTOLLING.

HET IL-12 VACCIN GETEST OP MUIZEN MET AANLEG VOOR HET ONTWIKKELEN VAN EEN HOOG CHOLESTEROLGEHALTE IN HET BLOED, DIE OP EEN VETRIJK DIEET WAREN GEZET. NA TWEE

blijken een goede afweer tegen de meeste infecties te hebben, met uitzondering van Salmonella en één andere groep bacteriën. In een recente studie waarbij IL-12 werd geblokkeerd om een auto-immuunziekte aan te pakken, bleek dit echter niet te leiden tot een verhoogde gevoeligheid voor infecties.”

WEKEN WERDEN BANDJES OM EEN AANTAL BLOEDVATEN AANGEBRACHT. DIE ZORGDEN VOOR TURBULENTIE IN HET BLOED, WAARDOOR HET ENDOTHEEL BESCHADIGD RAAKTE EN VERSNELDE PLAQUEVORMING OPTRAD. TIJDENS DIT PROCES WERD DE HELFT VAN DEZE MUIZEN VIJF KEER GEVACCINEERD, MET TUSSENPOZEN VAN TWEE WEKEN.

Dotteren Bij het muizenexperiment werkten de vaccinaties preventief. In de menselijke situatie zouden artsen natuurlijk graag al aanwezige aderverkalking willen genezen. “Momenteel zijn we aan het onderzoeken wat er gebeurt als we muizen eerst aderverkalking laten ontwikkelen, en dan pas vaccineren,” zegt Hauer. “We verwachten niet dat de plaques dan verdwijnen, alleen dat ze minder snel zullen groeien. We hopen uiteindelijk dat we mensen met een verhoogd risico op hart- en vaatziekten, zoals diabetespatiënten of mensen met een hoog cholesterolgehalte, preventief kunnen vaccineren.”

Een andere doelgroep zijn patiënten die een dotterbehandeling hebben ondergaan. Daarbij maken artsen een vernauwd bloedvat weer wijder met een klein ballonnetje. “Die bloedvaten groeien vaak na een paar maanden weer dicht,” vertelt Hauer. “Wellicht kan onze methode dat voorkomen, of tenminste afremmen.”

Wat de Leidse methode zo bijzonder maakt, is het

concept van vaccineren om een lichaamseigen stof uit te schakelen. Het vaccin zelf is in dit geval ook een lichaamseigen stof. Een regulier vaccin is daarentegen gericht tegen een lichaamsvreemde ziekteverwekker, en bestaat uit een afgezwakte vorm ervan. Hauer: “De werking van IL-12 zou je ook kunnen remmen door specieke lichaamsvreemde stoffen toe te dienen die een immuunreactie tegen IL-12 opwekken.”

Daar kleven echter nadelen aan. Een dergelijke vaccinatie leidt soms tot ongewenste bijwerkingen, zoals een specifieke afweerreactie tegen deze stoffen. “Daar heeft onze methode geen last van,” stelt Hauer. “Daarnaast is onze vaccinatie relatief goedkoop, en het effect is langdurig: in ieder geval 24 weken. Al met al zou deze methode een belangrijke bijdrage kunnen leveren aan de ontwikkeling van nieuwe therapieën tegen aderverkalking bij mensen.”  nienke beintema

21

22 ZELFPORTRET

Siegfried Nijssen “Toxiciteit wordt waarschijnlijk bepaald door bepaalde molecuulfragmenten, en niet door gehele moleculen. Maar welke fragmenten?”

Spitten in een mijn vol molecuulmodellen Of moleculen kankerverwekkend zijn, zou wel eens kunnen afhangen van bepaalde molecuulfragmenten, vermoedden onderzoekers van het Leiden-Amsterdam Centre for Drug Research.

Informaticus Siegfried Nijssen, gespecialiseerd in data-mining, schreef het algoritme dat op een intelligente manier hun enorme database met molecuulmodellen doorzocht op bewijzen voor dit vermoeden. Binnenkort worden de resultaten gepubliceerd.

Data-mining heeft te maken met de herkenning van patronen en trends in grote hoeveelheden gegevens die liggen opgeslagen in een database. Omdat de hoeveelheid informatie vaak veel te groot is om door menselijke onderzoekers te kunnen worden overzien, wordt er speciale software ingezet. Deze laat de computer, en niet de onderzoekers, naar patronen zoeken. De onderzoeker formuleert een oppervlakkig idee, waarna de computer in de gegevens controleert welke invullingen interes-

sant zijn. Met de resultaten kunnen de onderzoekers dan weer verder.

Informaticus Siegfried Nijssen ontwikkelde in de loop van twee jaar een serie algoritmes om er een database met molecuulmodellen mee te doorzoeken op kankerverwekkende eigenschappen van de moleculen. Telefonisch vanuit Finland, waar hij twee weken te gast was bij de Universiteit van Helsinki om informatie uit te wisselen met zijn Finse vakgenoten, lichtte hij toe hoe ĂŠĂŠn en ander in zijn werk is gegaan.

Siegfried Nijssen (27) studeerde in 2000 af als informaticus en werkte tot 2005 als aio bij het LIACS. In zijn studie- en aio-perioden liet hij, al dan niet samen met zijn promotiebegeleider, een hele rits publicaties over verschillende aspecten van data-mining het licht zien, verschenen in Nederlandse en internationale vakpublicaties. Als aio gaf hij bovendien les in, en werkgroepen over uiteenlopende onderwerpen als compileermethoden, computerarchitectuur, compiler-constructie, algoritmes, databases en complexiteit. Inmiddels werkt hij als postdoc aan de Universiteit van Freiburg in Duitsland, ook hier aan data-mining.

Twee dimensies zijn genoeg “Voor mijn werk heb ik gebruik gemaakt van een database uit Leiden, samengesteld door Jeroen Kazius van het Leiden-Amsterdam Centre for Drug Research (LACDR). Die databank bevat modellen van moleculen waarvan de onderzoekers experimenteel hebben vastgesteld of ze kankerverwekkend zijn of niet. Zulke openbare databases bestaan er over allerlei onderwerpen. In de Verenigde Staten bijvoorbeeld is er een met aids-gerelateerde molecuulmodellen. Maar omdat ik nu eenmaal

23

“Als je je data niet goed kunt beschrijven, hoe kun je dan goede voorspellingen doen?”

in Leiden studeerde was het voor mij makkelijker om de Leidse database te gebruiken.”

De hoofdhypothese van de onderzoekers was dat toxiciteit bepaald wordt door bepaalde molecuulfragmenten, en niet door gehele moleculen. De vraag was alleen: welke fragmenten? Het antwoord op die vraag vinden, was de taak van Nijssens computerprogramma. Het was al bekend dat voor de bepaling van toxiciteit de driedimensionale structuur van een molecuul van minder belang is.

De informaticus kon zich dus tot molecuulrepresentaties in twee dimensies beperken. Om moleculen tweedimensionaal weer te geven, bestond al een notatie die op zich prima functioneert. Deze notatie laat door middel van rijen letters en cijfers zien welke atomen er in een molecuul zitten en welke verbanden er tussen die atomen bestaan.

De werkelijkheid bleek weerbarstiger, legt Siegfried Nijssen uit: “Het probleem met die notatie is dat je een zelfde molecuul op een heleboel verschillende manieren kunt beschrijven. Als je dezelfde rij letters en cijfers bijvoorbeeld achterstevoren opschrijft, leidt dat vaak al tot een andere notatie voor hetzelfde molecuul. Als de computer zoekt naar molecuulfragmenten, wil je dus eigenlijk dat hij per molecuulfragment maar één notatie bekijkt.

Om dat op een handige manier te realiseren, hebben we een nieuwe notatie bedacht, die in veel gevallen sneller werkt dan de bestaande.”

De resultaten van Siegfried Nijssens werk verschenen gedeeltelijk in een publicatie die hij samen met zijn promotiebegeleider schreef: A quickstart in frequent structure mining can make a difference. Deze publicatie gaat echter puur in op de informaticakant. De scheikundige

resultaten, die in nauwe samenwerking met de onderzoekers van het LACDR tot stand kwamen, zijn op een scheikundeconferentie gepresenteerd en zullen binnenkort in een scheikundetijdschrift verschijnen.

Tik-tak-tor en terrorisme Uiteraard bestaan er veel meer toepassingen voor data-mining dan het doorzoeken van molecuulmodellen op toxiciteit. Nijssen verwijst daarvoor o.a. naar Wikipedia. Deze bekende online open-source encyclopedie, onderhouden door ter zake kundige vrijwilligers, geeft het voorbeeld van medicijnen die, mits geïsoleerd gebruikt, hun genezende werking naar behoren uitoefenen. Maar in combinatie met andere medicijnen kunnen er bij patiënten onverwachte, en ongewenste, neveneffecten ontstaan.

Door het medicijngebruik van grote aantallen patiënten te registreren en op de gegevens data-mining los te laten, bestaat er echter een redelijke kans dat farmaceutische bedrijven kunnen achterhalen welke combinaties van medicijnen schadelijk zijn.

Ook kan data-mining ingezet worden om strategieën te herkennen, en zelfs te ontwikkelen, voor bordspellen als schaken, tik-tak-tor, etc. Bij de analyse van financiële gegevens (banken), risicobeheer (verzekeringsmaatschappijen) en zelfs mogelijk terroristisch gedrag van burgers (in het kielzog van 9/11 is daar veel informatie over verzameld) is data-mining eveneens onmisbaar.

Yahoo goes data-mining Nog sprekender voorbeelden worden gegeven door

24

ALGORITMES MOETEN HERKENNEN OF BEPAALDE CHEMISCHE STRUCTUREN MUTAGEEN (M) ZIJN.

KD Nuggets (www.kdnuggets.com), een vooraanstaand portal op het gebied van data-mining en knowledge-discovery waar Nijssen enthousiast over is. In Newsletter 2005-05 komt Usama Fayyad, sinds een jaar Chief Data Officer bij Yahoo, aan het woord over het belang van data-mining. De 410 miljoen unieke maandelijkse gebruikers van Yahoo genereren dagelijks namelijk zo’n 10 terabyte aan gegevens, een hoeveelheid informatie gelijk aan die van de complete Amerikaanse Library of Congress! Hoe deze waanzinnige hoeveelheid gegevens te vangen, op te slaan en te analyseren? Een paar keer met je ogen knipperen en je loopt alweer achter...

Fayyad heeft daartoe heel nieuwe procedures voor data-mining moeten ontwikkelen, en na een jaar begint Yahoo daar de vruchten van te plukken. Zo bleek dat een bovengemiddeld aantal gebruikers van Yahoo Mail tegelijkertijd online-nieuwsberichten las. Na een test besloot Yahoo een nieuwsmodule in Yahoo Mail te integreren, met als resultaat dat veel minder emailgebruikers overstapten naar de concurrentie. De merkentrouw nam dus toe, en daarmee de mogelijkheid voor Yahoo om via online-advertenties geld te verdienen.

Iets vergelijkbaars vond Fayyad bij Yahoo’s Instant Messenger. Gebruikers met meer namen in hun ‘Buddy List’ waren minder snel geneigd om op te stappen. Een marketingcampagne om het aantal namen in de Buddy List met vijf te vergroten, had veel succes en verkleinde het verloop aanzienlijk. Nog opmerkelijker was dat het aantal gebruikers van Yahoo Search toenam nadat Fayyad

op basis van trends in allerlei gegevensstromen geadviseerd had het zoekvakje in het midden van het scherm te plaatsen in plaats van links. Tenslotte heeft hij het browsegedrag van Yahoo-gebruikers kunnen koppelen aan koopgedrag, waardoor online-advertenties doelgerichter kunnen worden getoond – en dus duurder verkocht. (Dit alles overigens op basis van anoniem surfgedrag; het is niet zo dat het online-gedrag van individuele Yahoo-gebruikers gemonitord wordt.)

Structural data-mining “Nu moet ik misschien nog wel verduidelijken dat de algoritmes die ik geschreven heb speciaal voor structural data-mining bedoeld zijn, ofwel het herkennen van patronen in structuren die je als diagram kunt weergeven”, besluit Nijssen ons Nederfinse telefoongesprek. “Dus niet alleen molecuulmodellen, maar ook andere structuren als netwerken, boomstructuren, XML-documenten en relationele databases. Daarbij heb ik me beperkt tot beschrijvende modellen. Want als je je data niet goed kunt beschrijven, hoe kun je dan goede voorspellingen doen?”  rob smit

25

26

Wil Tamis “In veel gebieden zijn bemoedigende successen geboekt.”

FOTO: HIELCO KUIPERS

Flora onder de loep De Nederlandse flora is niet meer wat zij geweest is. Dat concludeerde onderzoeker Wil Tamis van het Centrum voor Milieuwetenschappen. De effecten van vermesting zijn het sterkst, zo luidt zijn conclusie. Uitheemse soorten zijn daarentegen nauwelijks van invloed.

Vanuit de trein

Nergens ter wereld zijn veranderingen in de wilde flora zo nauwkeurig gedocumenteerd als in Nederland. In de loop van de laatste honderd jaar zijn van onze 1450 plantensoorten zo’n tien miljoen waarnemingen gedaan op een schaalniveau van ongeveer één vierkante kilometer. Dat schrijft dr. Wil Tamis in zijn proefschrift Changes in the flora of The Netherlands in the 20th century, waarop hij 16 november 2005 in Leiden promoveerde.

Het onderzoek van Tamis is een samenwerkingsverband tussen het Nationaal Herbarium Nederland (NHN), het Centrum voor Milieuwetenschappen (CML) en de Stichting Floristisch Onderzoek Nederland (FLORON), alledrie gestationeerd in Leiden. Het onderzoek richt zich met name op de vraag hoe de Nederlandse flora in de afgelopen honderd jaar is veranderd en welke rol klimaatsverandering en uitheemse soorten daarbij hebben gespeeld.

“De Nederlandse florawaarnemingen zijn bijeengebracht in twee databases,” vertelt Tamis. “De eerste, FLORIVON, bevat de data die zijn verzameld tussen 1902 en 1950; de tweede, FlorBase, beslaat de periode vanaf 1975. Van de periode tussen 1950 en 1975 bestaan wel data, maar veel minder. Bovendien zijn die verzameld op een schaalniveau van vijf bij vijf kilometer, in plaats van één bij één. Voor vergelijkingen zijn die waarnemingen dus minder nuttig.”

Het digitaliseren van de oudere data is gebeurd in de jaren rond 1990. Een groot deel van het werk van Tamis bestond uit het standaardiseren van die gegevens. Dat was niet altijd even gemakkelijk. Tamis: “Er waren correcties nodig voor allerlei factoren. Zo is de taxonomie in de loop der tijd veranderd, evenals de methode van inventariseren. Ook verschilt de kwaliteit van de waarnemers.

Ik heb veel nagedacht over manieren waarop je voor die factoren kunt corrigeren.”

In de vroegste periode werd er niet altijd systematisch geïnventariseerd, legt de onderzoeker uit. “Veel gebieden waren ontoegankelijk, bijvoorbeeld omdat er geen wegen liepen of omdat ze te drassig waren. Rubberlaarzen waren rond 1900 nog niet uitgevonden. Op sommige inventarisatiekaarten kun je duidelijk zien dat er alleen aan weerszijden van wegen was gekeken, of zelfs enkel vanuit de trein.”

Van oudsher gebeurt het verzamelen van data deels

Al van jongsafaan struint Wil Tamis (1956) graag door de vrije natuur. Hij besloot van zijn hobby zijn beroep te maken en studeerde biologie aan de Vrije Universiteit in Amsterdam.

Ook behaalde hij in Wageningen het kandidaatsdiploma Plantenziektekunde. Na verschillende tijdelijke aanstellingen, waaronder het inventariseren van broedvogels, kwam hij in 1986 terecht bij het Centrum voor Milieuwetenschappen in Leiden. In samenwerking met het Nationaal Herbarium Nederland bestudeert hij daar de veranderende biodiversiteit in Nederland, onder meer de effecten van klimaatsverandering op de vaderlandse flora.

27

“De angst voor exoten komt voort uit de angst voor het onbekende.”

door provincies, natuurorganisaties en onderzoeksinstituten, maar vooral door vrijwilligers. “Het onderzoek is betrekkelijk eenvoudig,” zegt Tamis. “Het enige wat je nodig hebt, is een flora, een loep, en een streeplijst waar alle soorten van Nederland op staan.” De Nederlandse vrijwillige waarnemers, verenigd in FLORON, nemen ieder één of meer kilometerhokken voor hun rekening en inventariseren een paar keer per jaar alle plantensoorten die ze in hun gebied aantreffen. Zelf inventariseert Tamis dit jaar het kilometerhok waarin hij woont. “Ik draag dus bij aan mijn eigen gegevens, ook al is het een druppel op een gloeiende plaat,” lacht hij.

stedelijke omgeving zich uit. “Het is moeilijk die twee factoren uit elkaar te houden,” stelt Tamis. “Steden houden immers warmte vast, dus de toename van beide groepen zou te verklaren kunnen zijn met de toenemende verstedelijking. Toch zie je dat ook planten buiten de steden die temperatuurseffecten vertonen, terwijl sommige planten die typisch zijn voor het stedelijke gebied, bijvoorbeeld varens, niet temperatuurgevoelig zijn. Beide factoren spelen dus wel degelijk een afzonderlijke rol.”

Een tweede vraag die Tamis in zijn onderzoek probeerde te beantwoorden, is of de introductie van uitheemse planten – zogenoemde exoten – van grote invloed is geweest op de florasamenstelling. De World Conservation Union (IUCN), de internationale organisatie die onder meer de wereldwijde Rode Lijst van bedreigde plantenen diersoorten bijhoudt, meent dat exoten momenteel een van de belangrijkste oorzaken zijn van het uitsterven van soorten.

“Reden genoeg om dat eens te gaan onderzoeken”, meent Tamis. “In Nederland hebben we bijvoorbeeld bos- en waterpest, die het allebei erg goed doen. Maar duwen ze andere soorten ook daadwerkelijk de afgrond in?” Om die vraag te beantwoorden keek hij naar het verband tussen het aantal soorten exoten en het aantal Rode-Lijstsoorten in een bepaald type ecosysteem. Een significante relatie vond hij niet.

“Bovendien hangt het er maar net vanaf wat je referentiekader is, en ook hoe je de term ‘exoten’ definieert,” merkt hij op. “Sommige soorten rukken bijvoorbeeld vanzelf op onder invloed van veranderende omstandigheden.

Moeten we die soorten dan meteen exoten noemen?

Klimaat en exoten Veel mensen associëren het veranderende leefmilieu tegenwoordig direct met klimaatsverandering. Tegelijkertijd hebben wetenschappers altijd aangenomen dat klimaatsverandering nauwelijks een invloed had op de florasamenstelling, in elk geval in vergelijking met milieuproblemen zoals vermesting, verzuring, verdroging en versnippering van het leefgebied. Tamis: “Voor de twintigste eeuw als geheel bleek dat waar te zijn: over de hele linie is vermesting de belangrijkste oorzaak. We zien een sterke toename in het aantal soorten die goed gedijen in een nutriëntenrijke omgeving. Kijk je echter alleen naar de tweede helft van de eeuw, dan zie je dat klimaatsverandering en verstedelijking de drijvende kracht achter de veranderingen zijn.”

De tweede helft van de eeuw kende een snelle toename van thermofiele – warmteminnende – soorten. Tegelijkertijd breidden planten die zich goed thuisvoelen in een

28

DEZE INVENTARISATIEKAART VAN

DE BIJENORCHIS

FLORBASE GEEFT HET AANTAL

(OPHRYS APIFERA) IS

SOORTEN PER VIERKANTE KILO-

EEN WARMTEMINNENDE

METER WEER VOOR DE LAATSTE

SOORT DIE DE LAATSTE

25 JAAR. HET SCHERPE CONTRAST TUSSEN DRENTE EN DE OMLIG-

IN AANTAL IS TOEGE-

GENDE PROVINCIES GEEFT AAN DAT

NOMEN.

DE INVENTARIESATIE-INSPANNING

[FOTO: C.A.J. KREUTZ, HEUKELS’ CD-ROM]

25 JAAR IN NEDERLAND

NIET OVERAL EVEN GROOT IS.

[KAART: FLORON]

Andere soorten, zoals de korenbloem en de klaproos, afkomstig uit het Midden-Oosten en Zuid-Europa, zijn al ruim vijf eeuwen geleden ingeburgerd. Wanneer houdt een soort op exoot te zijn?”

De angst voor exoten komt volgens Tamis voort uit de angst voor het onbekende. Daar ligt niets wetenschappelijks aan ten grondslag. “Ik wil eerst wel eens zien of ze werkelijk zo slecht zijn. Mijn indruk is dat dat echt alleen onder specifieke omstandigheden zo is, zoals op kleine tropische eilanden, waar de lokale soorten extreem kwetsbaar zijn en geen kant op kunnen.”

robuust genoeg om de effecten van klimaatsverandering op te vangen? En is het mestbeleid wel voldoende aangescherpt?” De Leidse botanicus is bang van niet. De kwaliteit van het Nederlandse oppervlaktewater is weliswaar sterk verbeterd, maar eigenlijk pas heel recent. “De vervuiling is nu weliswaar minder, maar de bodem bevat nog steeds een reservoir van nutriënten. Veel plantengemeenschappen zijn nog altijd verdwenen en zullen veel tijd nodig hebben om zich te herstellen. De toekomst zal moeten uitwijzen of de huidige maatregelen afdoende zijn.”

Toch is hij niet pessimistisch gestemd over de mogelijkheden van natuurherstel. “In veel gebieden zijn bemoedigende successen geboekt, zoals vennen en duinplassen. Dat zijn typische pioniersmilieus met soorten die goed zijn in het opnieuw koloniseren van een gebied. Dan blijkt bijvoorbeeld dat er van soorten die allang verdwenen waren, toch nog zaden in de bodem zaten.” Herstel van constantere milieus, zoals bossen en graslanden, duurt echter langer.

“Gelukkig zie je dat er bij beleidsontwikkeling steeds beter wordt geluisterd naar wetenschappers,” merkt hij op. “Het nieuwe landelijke onderzoeksprogramma Klimaat voor Ruimte heeft bijvoorbeeld een klankbordgroep waarin ook beleidsmakers zitting hebben. Tot nu toe was dat niet altijd vanzelfsprekend.” Goede beleidsvorming, zo meent Tamis, is onmogelijk zonder kwantitatieve gegevens. Daarom blijft hij zich bij het CML en het NHN, ook na zijn promotie, inzetten voor lange-termijnonderzoek aan Neerlands wilde flora.  nienke beintema

Herstel van vegetaties Hoe meer data Tamis analyseerde, hoe meer nieuwe onderzoeksvragen er naar boven kwamen. Graag zou hij bijvoorbeeld willen weten welke invloed de combinatie van klimaatsverandering en uitheemse soorten uitoefent op de flora. “Er zijn aanwijzingen, bijvoorbeeld uit Zwitserland, dat oprukkende warmteminnende soorten zich invasief gaan gedragen,” vertelt hij. “Wat is de relatie tussen die twee factoren? Elders in Nederland doet men daar experimenteel onderzoek naar. Men kijkt bijvoorbeeld naar de interacties tussen planten en hun natuurlijke vijanden, of juist hun ondergrondse partners, zoals schimmels.

Over hoe die interacties zich ontwikkelen in het veranderende klimaat, is nog maar heel weinig bekend.”

Andere vragen die Tamis intrigeren, betreffen de ontwikkelingen binnen het Nederlandse natuur- en milieubeleid. “Is de voorgestelde Ecologische Hoofdstructuur – het landelijke netwerk van natuurgebieden – bijvoorbeeld

29

30

Glenn van de Ven “Sinds het ontstaan van het heelal moet ω Cen al vaak met de Melkweg zijn gebotst.”

FOTO: HIELCO KUIPERS

Gestript door de Melkweg Het sterrencluster omega Centauri lijkt op het eerste gezicht een gewone bolvormige sterrenhoop te zijn. Leidse sterrenkundigen ontdekten het tegendeel. Het cluster is wellicht het overblijfsel van een dwergsterrenstelsel: een kleine uitvoering van onze Melkweg.

Vijftienduizend lichtjaar bij ons vandaan bevindt zich de bolvormige sterrenhoop omega Centauri. Vanaf het zuidelijk halfrond is dit cluster met het blote oog te zien; het maakt onderdeel uit van het sterrenbeeld Centaurus.

Omega Centauri, kortweg ω Cen, bevindt zich – in tegenstelling tot de Aarde – niet in de schijf van de Melkweg, maar er wel zó dicht bij dat zijn afzonderlijke sterren vanaf de Aarde met een telescoop te zien zijn. “Dat maakt ω Cen een ideale kandidaat voor het rekenen aan de dynamische structuur van stersystemen,” vertelt dr. Glenn van de Ven, die op 1 december 2005 bij de Leidse Sterrewacht cum laude promoveerde. “Zo proberen we te ontdekken hoe ze zijn opgebouwd en hoe ze precies zijn ontstaan.”

Bolhopen, zo vertelt Van de Ven, zijn zelfs voor sterren-

kundige begrippen al erg oud. “Na de oerknal trokken materiewolken zich samen tot ronddraaiende, schijfvormige sterrenstelsels, zoals die in onze Melkweg. Een gedeelte van het materiaal bleef echter achter als bolvormige sterrenclusters, waarin de sterren kriskras door elkaar bewegen. Onze Melkweg is omgeven door een soort halo van dergelijke bolhopen. ω Cen is er daar een van. Althans, dat dacht men altijd.”

Monnikenwerk Eigenlijk was Van de Ven helemaal niet van plan zich specifiek te richten op structuur en ontstaan van ω Cen. Het onderzoek nam bij toeval deze wending. Het oorspronkelijke doel was een alternatieve methode te ontwikkelen om de afstand tot een sterrencluster te bepalen. Van de Ven: “De standaardmethode kijkt naar de helderheid van de sterren in het cluster ten opzichte van gelijksoortige, maar dichterbij gelegen sterren, waarvan de positie bekend is. Deze schalingsmethode is al decennialang in gebruik, maar is gevoelig voor fouten, bijvoorbeeld omdat men een ster per ongeluk verkeerd typeert.”

De alternatieve methode berust op het modelleren van de bewegingen van de sterren in het cluster. “Voor duizenden sterren in ω Cen heeft men de snelheden in alle drie de dimensies kunnen meten en is de positie aan de hemel

Glenn van de Ven (1977) wist al vroeg dat hij sterrenkunde wilde studeren. Niet omdat hij gefascineerd was door sterrenbeelden en telescopen, maar omdat de plaatjes van sterrenstelsels, prachtige schijven met spiraalvormige armen, hem mateloos fascineerden. Hij studeerde sterrenkunde in Leiden en haalde ook zijn doctoraaldiploma wiskunde. “De toepassing van wiskundige modellen op sterrenkundige waarnemingen vind ik ideaal.” Begin 2006 begint Van de Ven met een postdoc-onderzoekspositie aan Princeton University, USA.

31

Van zo’n 10.000 sterren is de verschuiving handmatig bepaald.

in twee dimensies bekend. Alleen de diepte, de afstand tot de ster, ontbreekt,” vertelt Van de Ven. “Als we nu sterbanen uitrekenen in een driedimensionaal model en deze op een bepaalde afstand zetten, kunnen we de gemiddelde lichtverdeling en snelheden in het model vergelijken met wat we daadwerkelijk waarnemen. Door vervolgens in de formules de afstand te variëren, kunnen we het model vinden dat het beste bij de waarnemingen past. Daaruit blijkt dan de afstand waarop ω Cen zich moet bevinden.”

Voor het modelleren van de sterbewegingen gebruikten de Leidenaren uniek materiaal. Rond 1930 hebben Leidse sterrenkundigen een aantal foto’s van ω Cen gemaakt, en die fotografische platen zijn bewaard gebleven. Eind jaren ‘70 zijn dergelijke foto’s nogmaals gemaakt. Leg je nu de fotografische platen van die twee perioden op elkaar, dan kun je zien hoe de positie van alle sterren in het cluster in de loop van vijftig jaar is veranderd. “Deze vergelijking is begin jaren ‘80 al gemaakt,” vertelt Van de Ven. “Dat moet monnikenwerk geweest zijn. Van zo’n 10.000 sterren heeft men de verschuiving handmatig bepaald en met het oog geclassificeerd. Ik heb ooit tijdens een practicum een paar van die metingen gedaan en dáár kreeg ik al hoofdpijn van.”

Deze metingen van de snelheden in het vlak van de hemel, ook wel eigenbewegingen genaamd, zijn gecombineerd met metingen van de snelheden in de richting waarin men kijkt. Die zijn uit te rekenen met behulp van de Dopplerverschuiving in het uitgezonden licht. Van de Ven: “Een ster die van ons af beweegt, lijkt een roder licht uit te zenden, en een ster die naar ons toe beweegt, een blauwer licht. Als je vervolgens de metingen combineert, zie je dat de sterren in ω Cen netjes rond een as rote-

ren. Ze bewegen helemaal niet kriskras door elkaar heen, zoals in een bolhoop.”

Botsen met de Melkweg Een goed model moet niet alleen in staat zijn deze rotatie te beschrijven, maar het moet ook rekening houden met een afgeplatte vorm. “Als vanaf de Aarde naar ω Cen kijkt, zie je dat het sterrencluster niet rond is,” zegt Van de Ven. “Je kijkt bovendien slechts tegen een projectie aan, dus het kan zijn dat ω Cen in drie dimensies zelfs nog meer afgeplat is. Onze berekeningen laten zien dat dit inderdaad zo is. De snelheidsmetingen in drie richtingen wijzen uit dat wij ω Cen onder een hoek van zo’n 45 graden zien, met als gevolg dat ω Cen in werkelijkheid ongeveer tweemaal zo afgeplat is als we in projectie aan de hemel zien.”

De Leidse sterrenkundigen hebben dan ook een afgeplat model gemaakt, opgebouwd uit sterbanen die met een computer zijn berekend op basis van de krachten die elke ster ondervindt. De combinatie van de banen van de verschillende typen sterren levert een driedimensionaal beeld op van de dynamische structuur van het cluster.

Het model dat de waarnemingen aan ω Cen het beste verklaarde, bracht onverwachte substructuren aan het licht. “Een deel van het binnenste van ω Cen lijkt nog enigszins op wat je verwacht van een bolhoop: een redelijk ronde structuur met kriskras door elkaar lopende banen,” merkt Van de Ven op. “In de buitendelen worden de sterbanen echter veel platter en steeds meer geordend.

Gemiddeld bewegen ze in dezelfde richting, zoals de sterren in de schijf van onze Melkweg. Het meest frappante

32

DE BOLVORMIGE STERREN-

AFBEELDING VAN EEN

HOOP OMEGA CENTAURI

DWERGSTERRENSTEL, SAMEN-

HEEFT EEN SPANWIJDTE VAN

GESTELD UIT WAARNEMIN-

ZO’N

GEN MET DE HUBBLE SPACE

150 LICHTJAAR, LIGT

OP EEN AFSTAND VAN ONGEVEER

TELESCOPE. DIT STELSEL,

15 DUIZEND LICHT-

GENAAMD NGC

1705, HEEFT

EEN SPANWIJDTE VAN ZO’N

JAAR EN IS MET HET BLOTE OOG ZICHTBAAR VANAF HET

2000 LICHTJAAR EN LIGT OP

ZUIDELIJK HALFROND IN HET

EEN AFSTAND VAN ONGE-

STERRENBEELD CENTAURUS.

VEER ZEVENTIEN MILJOEN

[CREDIT: LOKE KUN TAN –STARRYSCAPES]

LICHTJAAR.

[CREDIT: HUBBLE HERITAGE TEAM – STSCI/AURA]

was echter de ontdekking van een kleine schijf van sterbanen in het centrum van het sterrencluster. Zo’n centrale schijf treffen we regelmatig aan in sterrenstelsels, maar nooit in een bolhoop.”

Het vermoeden rees dat ω Cen wellicht ooit zelf een klein sterrenstelsel is geweest, maar dat het stelsel in de loop der tijd zijn buitenste delen is kwijtgeraakt. “Om dit nader te onderzoeken, ben ik gaan rekenen aan de baan die ω Cen als geheel aflegt ten opzichte van de Melkweg”, vertelt Van de Ven. “Maar liefst tien procent van de tijd blijkt ω Cen zich in de schijf van de Melkweg te bevinden.

Hij snijdt er heel schuin doorheen.”

Sinds het ontstaan van het heelal moet ω Cen al vaak met de Melkweg zijn gebotst. Tijdens elke botsing raakt het cluster aan de buitenkant materiaal kwijt, onder invloed van de zwaartekracht van de Melkweg.

Recycling “De substructuren die we in ω Cen aantroffen, worden mogelijk gevormd door verschillende sterpopulaties: groepen sterren met een verschillende leeftijd en een verschillende samenstelling,” vervolgt Van de Ven. “Bij een sterrenstelsel komt dat regelmatig voor: daarin vinden verschillende ronden van stervorming plaats, waarbij gasvormig materiaal wordt gerecycled. Dat verklaart de aanwezigheid van verschillende sterpopulaties. In een

33

bolhoop kan dat proces niet optreden. Daarin is het gasvormig materiaal tijdens de vorming al volledig opgebruikt.

Een bolhoop bevat dus slechts één oude sterpopulatie.”

Het vermoeden dat ω Cen het overblijfsel is van een dwergsterrenstelsel, bestond al langer, maar nu is het voor het eerst gelukt er bewijzen voor aan te dragen.

Computers die krachtig genoeg zijn om met zulke ingewikkelde modellen te rekenen, bestaan nog niet zo lang.

“Echt bewijzen kunnen we het nog niet, maar we hebben het wel heel aannemelijk gemaakt,” aldus Van de Ven. Als volgende stap lieten de Leidse wetenschappers hun model los op een cluster waarvan ze vermoedden dat het wél een echte bolhoop was. En dat bleek inderdaad zo te zijn: dit cluster bevatte maar één sterpopulatie, en de banen liepen willekeurig door elkaar heen.

“Er is nog veel te doen,” meent de kersverse doctor.

“Uiteindelijk zou ik willen onderzoeken hoe de kern van ω Cen eruit ziet. Misschien treffen we daar wel een zwart gat in aan. Dat is reuze spannend onderzoek.” En, om terug te komen op de oorspronkelijke onderzoeksopzet: komt de afstand tot ω Cen volgens de nieuwe methode overeen met die volgens de standaardmethode? Met een volmondig “Ja!” kan Van de Ven deze vraag beantwoorden. “Ruim binnen de marge. Maar inmiddels vinden we de andere resultaten veel interessanter.”  nienke beintema

34

Jasper van Wezel “Na een tijdje is de precieze begintoestand van het systeem niet meer te achterhalen.”

FOTO: HIELCO KUIPERS

Nieuwe kink in de kabel voor quantumcomputer De qubit, de informatie-eenheid van de quantumcomputer, kan zijn informatie niet onbeperkt vasthouden. De informatie lekt langzaam weg, niet alleen naar buiten toe maar ook binnenin de qubit. Deze Leidse ontdekking betekent slecht nieuws voor de ontwikkeling van de quantumcomputer.

Een gewone computer werkt met informatie-eenheden, of bits, die met magneetjes in twee verschillende toestanden te brengen zijn: 0 of 1. Natuurkundigen en informatici dromen echter al jarenlang van een computer met bits die de waarden 0 en 1 tegelijkertijd kunnen aannemen. “Een dergelijke computer zou meerdere berekeningen tegelijk kunnen uitvoeren,” zegt drs. Jasper van Wezel, promovendus bij het Leidse Instituut Lorentz.

“Zo zou hij problemen kunnen oplossen die voor andere computers te ingewikkeld zijn, puur omdat ze teveel tijd zouden kosten.”

De sleutel tot het maken van zo’n computer is de quantummechanica. Die gaat ervan uit dat een deeltje, of zelfs bijvoorbeeld een stroom van elektronen in een su-

pergeleidend ringetje, tegelijkertijd linksom en rechtsom kan draaien. Zo’n quantumbit, of qubit, kan op één tijdstip zowel 0 als 1 zijn.

“Een mooie analogie is de kring die ontstaat als je een steen in het water gooit,” legt Van Wezel uit. De golf, oftewel de informatie, is dan óók op meerdere plaatsen tegelijk. “Spreek je bijvoorbeeld van 0 als de golf aan de ene kant van je vijver is, en van 1 als hij aan de andere kant is, dan kun je je voorstellen dat de toestanden 0 en 1 tegelijkertijd kunnen optreden. Zo raar is die analogie niet, want de quantummechanica gaat ervan uit dat een deeltje zich gedraagt als een golf.”

Interne lekkage Een realiteit is de quantumcomputer nog lang niet, want het concept kampt met een aantal fundamentele problemen. Zo verliest de quantumbit geleidelijk één van zijn twee toestanden als hij met de buitenwereld in aanraking komt. Dit weglekken van informatie heet decoherentie. Van Wezel: “Het is de kunst de qubit volledig te isoleren, en dat blijkt praktisch gezien heel lastig.”

De Leidse groep deed onlangs een ontdekking die het probleem nog ingewikkelder maakte. Een qubit die uit

Jasper van Wezel (1979) studeerde in 2003 in Leiden af als theoretisch fysicus. Voor zijn afstudeeronderzoek ging hij op zoek naar de connectie tussen de wereld van het allerkleinste (elektronen en andere deeltjes) en die van het alledaagse (magneten, kristallen, tafels en stoelen).

Bij het Instituut Lorentz in Leiden zette hij deze zoektocht voort in zijn promotieonderzoek, dat hij begin 2007 hoopt af te ronden.

35

De Leidse onderzoeksresultaten lijken enkel roet in het eten te gooien.

veel deeltjes bestaat, verliest niet alleen informatie aan de buitenwereld, maar ook aan zijn interne omgeving.

Zelfs een perfect geïsoleerde qubit raakt daardoor op den duur zijn informatie kwijt, binnen een tijd die wellicht te kort is om een berekening af te maken.

“Een zogenaamde veeldeeltjesqubit blijkt verschillende extra manieren te hebben om informatie op te slaan,” legt Van Wezel uit. “De qubit is niet altijd precies in de toestand 0 en/of 1; er zijn ook toestanden die daar heel dicht bij in de buurt liggen. In de praktijk zijn die toestanden niet van elkaar te onderscheiden, want ze gedragen zich keurig als 0 en/of 1, maar ze doen wel degelijk mee in de berekening en lopen geleidelijk in elkaar over. Daardoor is na een tijdje de precieze begintoestand van het systeem niet meer te achterhalen. De oorspronkelijke informatie is dan zoekgeraakt.”

uitdaging is om preciezer aan dat optimum te gaan rekenen. We willen nu graag weten naar welke tijdschaal je moet kijken om ons effect daadwerkelijk te kunnen zien.”

Het werk van Van Wezel is zuiver theoretisch. Hij berekent hoe een quantumsysteem zich onder verschillende omstandigheden gedraagt. In de praktijk is interne decoherentie echter nog nooit waargenomen. “Het is met de huidige technologie nog niet mogelijk een veeldeeltjesqubit te maken die klein genoeg is om interne decoherentie te vertonen, en die tegelijkertijd voldoende tegen de externe omgeving is geïsoleerd om die invloed uit te sluiten. Ik verwacht wel dat dat binnen een paar jaar gaat gebeuren.”

Theoretici hielden zich voor het gemak tot nu toe alleen bezig met qubits die óf uit één deeltje bestonden, of uit oneindig veel deeltjes, en in beide gevallen speelt interne decoherentie geen rol. Na de ontdekking van de Leidse theoretici zullen de praktijkbouwers, zoals de Delftse technologen die quantumbits ontwikkelden in de vorm van supergeleidende ringetjes, hard moeten gaan nadenken over een oplossing voor dit probleem. De quantumcomputer zal zijn berekeningen immers snel genoeg moeten gaan uitvoeren om ook de interne omgeving voor te blijven – anders zal decoherentie de berekening verstoren.

Optimum Vreemd genoeg duurt het langer voor de informatie weglekt naarmate de qubit uit meer deeltjes bestaat. Van Wezel: “In een groter systeem zijn er meer verschillende toestanden rondom de 0 en de 1 dan in een kleiner systeem. De ‘dichtheid’ van toestanden is groter. Het blijkt dat daardoor de snelheid waarin ze in elkaar overlopen, kleiner is. De informatie lekt dus langzamer weg.”

Deze vondst stelt natuurkundigen voor een dilemma. Ze zouden hun qubit zo klein mogelijk willen maken om invloeden van buitenaf te beperken – kleinere qubits zijn gemakkelijker te isoleren – en tegelijkertijd zo groot mogelijk om de interne decoherentie te verminderen. “Ergens ligt er een optimum,” stelt Van Wezel. “De volgende

Heilige graal Van Wezel en zijn collega’s publiceerden hun onverwachte ontdekking in het prestigieuze vaktijdschrift Physical Review Letters. De pers sprong er bovenop, zowel in binnen- als buitenland. “Sommige collega’s reageerden heel skeptisch”, aldus de promovendus. “Ze meenden

36

DEZE SUPERGELEIDENDE RING FUNGEERT ALS VEELDEELTJESQUBIT. EEN STROOM VAN MILJARDEN ELEKTRONEN LOOPT TEGELIJKERTIJD LINKSOM EN RECHTSOM DOOR HET METAAL (ZIE DE PIJLTJES).

[CREDIT: TU DELFT, HANS MOOIJ]

dat bij de tijdschaal waar we momenteel mee werken, het verschijnsel niet relevant is. Dat kan wel zijn, maar voor de toekomstige ontwikkelingen is het wel degelijk van belang. Gelukkig reageerden ook veel mensen enthousiast. Vaak hadden ze nog nooit op die manier over decoherentie nagedacht.”

Van Wezel is ervan overtuigd dat de toepassing van quantumcomputers in principe mogelijk is. “Wat ik me wel afvraag, is hoe lang de overheid en het bedrijfsleven nog bereid zijn het onderzoek te financieren. Men is over de hele wereld al 25 jaar bezig en nog steeds bestaat de quantumcomputer alleen op papier. We komen weliswaar steeds dichter bij, maar de heilige graal is nog niet gevonden.”

Wat er nodig is om financierders enthousiast te houden, is een doorbraak die het hele proces in een stroomversnelling brengt. De nieuwe Leidse onderzoeksre-

sultaten lijken wat dat betreft enkel roet in het eten te gooien. “Dat valt wel mee”, lacht Van Wezel. “Iedereen is het erover eens dat het belangrijk is dat we de fundamentele principes van de quantummechanica beter leren begrijpen. Al die jaren van onderzoek hebben bovendien al ruimschoots hun nut bewezen, want een aantal ‘bijproducten’ bleek heel interessant te zijn. Sommige nieuwe beveiligingssystemen maken bijvoorbeeld gebruik van de principes van de quantummechanica, en ook de optica heeft er veel baat bij gehad.”

En dan is er natuurlijk het vooruitzicht van wat de quantumcomputer voor ons kan betekenen als hij er eenmaal is. “De mogelijkheden zijn ongekend. Het aantal toepassingen is nog lang niet uitgeput, en ook de wetenschap zal er zeker van profiteren. Dat vooruitzicht biedt voldoende motivatie om door te gaan.”  nienke beintema

37

Suggesties voor onder de kerstboom

1 De tuin van de sultan van Rome, Louise O. Fresco, ISBN 9044606190 2 De eekhoornformule, Vincent Icke, ISBN 9046140229 3 Christiaan Huygens, Vincent Icke, ISBN 9065544607

1

2

3

4

5

6

4 Passie en precisie, Vincent Icke, ISBN 9025422586 5 Krachten, Vincent Icke, ISBN 908571009X 6 Niks relatiefs, Vincent Icke, ISBN 9025426824

38

7 Het toeval van de werkelijkheid, H.B.G. Casimir, Speciale herdruk bij het begin van de Casimir Research School Meulenhoff, Amsterdam, 2004 8 VacuĂźm is niet niks, Frans W. Saris, ISBN 9029069155 9 Trots en Twijfel, Frans Saris en Rob Visser, ISBN 9029075899 7

8

9

10 Van Albinusdreef tot Zeemanlaan, Jos van den Broek, ISBN 90777761039 11 Wetenschappelijke experimenten voor huis, tuin en keuken, Jos van den Broek en Anne Schulp, ISBN 9076988471 10 12 25 nieuwe wetenschappelijke experimenten voor huis, tuin en keuken, Anne Schulp en Jos van den Broek, ISBN 9085710030

11

12

14

15

13 De andere linkerkant, Tijs Goldschmidt, ISBN 9025317464 14 De wiskundige kat, de biologische muis en de jacht op inzicht, Hans Heesterbeek, Odo Diekmann en Hans Metz, ISBN 9050410855 15 Kaas en de evolutietheorie, Bas Haring, ISBN 9052406006 13

39

16 De ijzeren wil, Bas Haring, ISBN 904670341X 17 Speeltuin van de wiskunde, Bart de Smit en Jaap Top, ISBN 907698820X 18 Heukels’ Flora van Nederland, Ruud van der Meijden, ISBN 900158344X

16

17

19

20

18

19 Nature’s Music, Peter Marler en Hans Slabbekoorn, ISBN 0124730701 20 Planten voor dagelijks gebruik, C. Kalkman, M.M. Nauta, R. van der Meijden, ISBN 905111599 21 Heike Kamerlingh Onnes, Dirk van Delft, ISBN 9035127390

22 Evolutionary Ecology of Plant Reproductive Strategies, Tom de Jong en Peter Klinkhamer, ISBN 0521528941

22

40

21