Page 1

Waar wij trots op zijn

De ontdekkers van 2006

Universiteit Leiden Faculteit der Wiskunde & Natuurwetenschappen


Inhoud

1

Bestuur FWN

Een Faculteit om te Ontdekken

5

Oproep

Kies de ontdekker van het jaar 2006

Ontdekkers van het jaar 2006 6

Joost Batenburg

Puzzelen in 3D

10

Maytal Bivas-Benita

DNA-vaccinatie via de longen

14

Karl Eichhorn

Geef het regenwoud de kans zich te herstellen

18

Luuk Groenewegen

Een computertaal die de verbouwing redt

22

Sijme-Jan Paardekooper

Planeten van nullen en enen

26

Ernst Pijper

Handig rekenen aan het simpelste molecuul

30

Joost Woltering

Kronkelend chromosoom trok lichaam uiteen

34

Rob Zondervan

Stop-motion fotografie in stroperig glas

40

Aangeraden

Boeken uit de faculteit

41

Colofon

41

Adres


Een Faculteit om te Ontdekken Mathematics/ Computer Science

Physics

Astronomy/ NOVA

Lorentz Centre

Cyttron

PRE

Chemistry

Biology

Bio-Pharmacy/ TI Pharma

NHN/ Hortus

Genomics

LUMC

Boven links, v.l.n.r. Sjoerd Verduyn Lunel (directeur Mathematisch Instituut & Leiden Institute for Advanced Computer Science), Peter Kes (directeur Leids Instituut voor Onderzoek in de 足Natuurkunde), Tim de Zeeuw (directeur Sterrewacht en Nationale 足Onderzoekschool voor Astronomie), daaronder: Jaap Brouwer (directeur Leiden Institute of Chemistry), Paul Hooykaas (directeur Instituut Biologie Leiden), Meindert Danhof (directeur Leiden-Amsterdam Centre for Drug 足Research en kwartiermaker Top Instituut Pharma); Boven midden, v.l.n.r. Wim van Saarloos (directeur Lorentz Center), 足

TU Delft

Jan-Pieter Abrahams (projectleider Cyttron), Erik Smets (directeur Nationaal Herbarium Nederland); Huub de Groot (projectleider Genomics), Boven rechts, v.l.n.r. Jan Kijne (directeur Pre-University college, vice-decaan W&N), Karel Luyben (decaan TNW-TUD), daaronder: Eduard Klasen (decaan LUMC); Onderste rij, v.l.n.r. onze Spinoza-prijswinnaars Hendrik Lenstra, Carlo Beenakker, Ewine van Dishoeck en Jan Zaanen, onze KNAW-hoogleraren George Miley en Ron de Kloet en onze Simon Stevin Meester Joke Bouwstra.




Bijzondere onderscheidingen en prijzen

• S  ilvie Roke (LION) ontvangt de Minerva-prijs van FOM. • David Mabberley, hoogleraar Systematische ­plantenanatomie bij de Leidse vestiging van het National Herbarium Nederland, ontvangt The Linnean Medal for Botany. • Philips Mathematics Prize voor Joost Batenburg (CWI). • Twee Leidse teams hebben de 2e ronde van de New Venture businessplan competitie gewonnen. De toekomstige ondernemers ontvingen daarvoor een prijs van € 1000 . • Klaus Pontoppidan en Glenn van de Ven hebben de Hubble Fellowship gekregen, één van de meest prestigieuze postdoctorale fellowships in de ­sterrenkunde. • Ellen Backus (LIC) en Arnaut Hauer (LACDR) ­ontdekkers van het jaar 2005.

• J acques van Alphen (IBL) voor drie jaar benoemd aan de universiteit van Rennes op de Marie Curie Chair of Excellence. • Suzanne Bal wint KNMP-prijs voor studenten met ­excellente studieresultaten. • Maytal Bivas-Benita ontvangt NVFW-prijs voor beste proefschrift. • Julia Caussin wint de tweede prijs bij de PhD­competitie (Figon Medicine Days). • Joke Bouwstra wint prijs voor de beste presentatie (IFSCC Japan). • Maikel Wijtmans en Herman Lim winnen twee van de drie FIGON poster-awards. • David Maussang wint de best Oral Award (Dutch Pharmacology Society). • Maikel Wijtmans wint ook een prijs voor de beste mondelinge presentatie (NWO-study group on ­Medicinal Chemistry en KNCV-section Pharma­cochemistry). • Bas Hendriksen wint de Christiaan Huygens­wetenschapsprijs 2006. • Organon Junior Prijs voor Chantal Verkleij. • Shipra Prakash krijgt Ernst-prijs. • Carlo Beenakker wint de Akzo Nobel Science Award. • Meindert Danhof ontvangt de ‘New Safe Medicines Faster’ Award van EUFEPS. • Hans van Duyneveldt benoemd tot Ridder in de orde van Oranje-Nassau. • ‘Profile of Ewine F. van Dishoeck’ in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). • Lies Bouwman (LIC) wint prestigieuze Fatipec ­congresprijs.

Grote subsidies • Top Instituut Pharma (€ 130 miljoen), een samenwerkingsverband tussen universitaire groepen en de industrie, kwam tot stand met steun van de overheid (Innovatieplatform), en werd gevestigd in het Bio-Science Park. • Marcel Rost, onderzoeker bij het Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde (LION), krijgt een ­subsidie van bijna 1 miljoen euro van de Technologiestichting STW. Rost gaat zich, samen met een consortium van grote en kleine bedrijven, verdiepen in coatings, in goed Nederlands ook wel ‘deklagen’ genoemd. • Freek Vonk wint Janneke Fruinbeurs. • LIACS en LUMC krijgen 5,6 ton NWO subsidie om informaticaonderzoek te versterken.




• C.J. Weststrate (LIC) krijgt Rubiconsubsidie voor zijn onderzoeksvoorstel ‘Catalysts at work’. • Jan Zaanen, hoogleraar theoretische fysica van de gecondenseerde materie, krijgt een NWO/Spinozapremie van 1,5 miljoen euro. • Onderzoekers uit de faculteit hebben recentelijk successen geboekt als trekker van enkele grote subsidieprogramma’s in het 6e-kaderprogramma van de Europese Unie. Er zijn drie Europese trainings­ programma’s (MC RTN) gehonoreerd met een waarde van elk 2-3 miljoen euro: - Prof. G.W. Canters en Prof. T. Aartsma hebben een Marie Curie RTN gehonoreerd gekregen rondom een nieuwe methode om redox reacties zeer ­gevoelig te meten; - Prof. G.J. Kroes een Marie Curie RTN waarin kennisinstellingen en bedrijven samenwerken aan de verbetering van de productie van waterstof m.b.v. zonne-energie en de verbetering van de capaciteit van de brandstofcel; - Dr. B. de Smit een Marie Curie RTN om met behulp van verbeterde inzichten in ‘expliciete methoden’ toepassingsmogelijkheden in de cryptografie te vergroten. • Evolutiebioloog dr. Bas Zwaan heeft samen met prof. Rudi Westendorp van het LUMC een ‘Network of Excellence’ t.w.v. 10 miljoen euro ontvangen om Europees onderzoek op het raakvlak tussen ontwikkelingsbiologie en verouderingsonderzoek tot wereldniveau te verheffen. • Dr. A. Meijer, eveneens uit het IBL, heeft een ­samenwerkingsproject (STREP) (1,6 MIO) ­ontvangen om de zebravis als proefdier voor het

meten van tumorgroei en metastasering verder te ontwikkelen voor toepassing in high-throughput screening. • Het Lorentz Center krijgt 1,8 miljoen OCW subsidie • KWF Kankerbestrijding-subsidie voor Tjerk ­Oosterkamp (LION)

VENI-subsidies • Herma Cuppen (Sterrewacht) Interstellar physics on the rocks; Monte-Carlo stimulations of ice ­mantles. • Clovis Hopman (Sterrewacht) Stellar Processes near Massive Black Holes. • Robin de Jong (Wiskunde) The Shafarevich conjecture made effective. • Catherijne Knibbe (Farmacologie) Rational Dosing in Children using Population Pharmacokinetic and ­Pharmacodynamic Modelling. • Jeroen Codée (Bioorganische Synthese) Anionic ­oligosaccharides as well defined Toll-like receptor ligands.

VIDI-subsidies • Hendrik Blockeel (LIACS) Annotated graph mining. • Dmitri Filippov (Bio-organische Synthese) Synthetic nucleotidylated proteins. • Yuri Levin (Sterrewacht/Natuurkunde) Star formation and gravitational-wave production around Supermassive Black Holes. • Vivi Rottschäfer (Wiskunde) Formation of singularities in natural systems. • Joop Schaye (Sterrenkunde) Simulating the history of galaxies and the intergalactic medium.




Benoemingen

• Eric Smets is benoemd tot hoogleraar om werkzaam te zijn op het vakgebied van de Systematische botanie. • Jacqueline J. Meulman (hoogleraar Toegepaste datatheorie in de faculteit der Sociale Wetenschappen) is aangesteld bij het Mathematisch Instituut. • Philippe Clément is benoemd tot hoogleraar ­Toegepaste analyse. • Bob van de Water is benoemd tot hoogleraar in Drug safety science. • Pascale Ehrenfreund is benoemd tot hoogleraar in de Astrobiologie. 

• Jan van Driel is benoemd tot hoogleraar Didactiek van de natuurwetenschappen. • Ruud Tromp is benoemd tot hoogleraar Fysica van oppervlakken en materialen. • Bas Haring is benoemd tot bijzonder hoogleraar ­Publiek begrip van natuurwetenschap. • Jos van den Broek is benoemd tot bijzonder hoog­ leraar (Bio)medische wetenschapscommunicatie. • Marco Beijersbergen is benoemd tot bijzonder hoogleraar Experimentele natuurkunde i.h.b. fysische instrumentatie in de ruimtevaart. • Gerard Barkema is benoemd tot bijzonder hoogleraar Computational statistical physics of (bio)polymers. • Paul Keßler is benoemd tot de nieuwe prefect van de Hortus botanicus. • Wim van Saarloos (LION, instituut Lorentz) is benoemd tot Burgers lecturer 2007 bij het Institute for Physical Science and Technology and Burgers Program for Fluid Dynamics van de universiteit van Maryland (USA). • Richard D. Gill is aangesteld als hoogleraar Mathematische statistiek bij het Mathematisch Instituut in Leiden. • Tim de Zeeuw (STRW) is benoemd tot lid van de KNAW (Koninklijke Nederlandse Academie van ­Wetenschappen). • Mark Koper is benoemd tot hoogleraar om werkzaam te zijn op het vakgebied van de fundamentele ­oppervlaktechemie. • Dirk van Delft, hoofddocent aan de Sterrewacht, is benoemd als nieuwe directeur van het Boerhaave museum. • Wim Jiskoot is benoemd tot hoogleraar Drug delivery technology. 

Voorgedragen docenten voor de Facultaire Onderwijsprijs 2007 • • • • • • • • • •



Nora Goosen (LST) Paul Hooykaas (Biologie) Ludo Juurlink (Scheikunde) W.A. Kosters (Informatica) Frans Saris (SMST) Vivi Rottschäffer (Wiskunde) B.R. Brandl (Sterrenkunde) Edgar Groenen (Natuurkunde) Serge Lemay (Informatica) Mark Overhand (BFW)


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 2006. Interviews met de ontdekkers staan in dit boekje en op de website: www.science.leidenuniv.nl/ontdekkervanhetjaar Op deze website vindt u ook de toppublicaties van de instituten.

kiest. De publiekswinnaar en de juryprijswinnaar krijgen op 8 januari 2007, tijdens de nieuwjaarsreceptie in de hal van het Gorlaeus, de C.J. Kokprijs uitgereikt. Wij wensen u veel leesplezier. 3 Het bestuur van de Faculteit der Wiskunde en Natuur­wetenschappen, esmée dorpmans gert jan van helden jan kijne frans saris

Tijdens de nieuwjaarsreceptie op 8 januari 2007 kunt u uw stem uitbrengen op degene die volgens u de ­Ontdekker van het Jaar is. Daarnaast is er een wetenschappelijke jury die ook een Ontdekker van het Jaar






Joost Batenburg, Mathematisch Instituut “Als je kristal maar groot genoeg is, heb je altijd meer dan één oplossing. Het is werkelijk dramatisch.”


Puzzelen in 3D Hoe bouw je uit allemaal doorsneden een driedimensionaal beeld op? De Leidse wiskundige Joost Batenburg promoveerde op de beste rekenmethodes die zowel natuurkundigen als diamantslijpers kunnen helpen. Bij de stellingen in het proefschrift van Joost Batenburg zit een puzzel. Het is een zogeheten nonogram: een Japanse tekenpuzzel die bestaat uit lege vakjes. Langs elke rij en kolom staat hoeveel vakjes daarvan ingekleurd moeten worden, en hoe lang de rijen van aaneengesloten ingekleurde vakjes moeten zijn. Eén van Batenburgs collega’s, afgestudeerd in de wiskunde, wist na lang puzzelen dertig van de negenhonderd vakjes op te lossen. “Nonogrammen in een puzzelboekje worden makkelijker naarmate je meer vakjes hebt ingekleurd”, vertelt Batenburg. “Deze niet.” De twee moge-

lijke oplossingen zijn wel te vinden met tomografie, de wiskunde waarover zijn proefschrift gaat. Batenburg promoveerde op 19 september op het onderwerp Network flow algorithms for discrete tomography. ‘Tomografie’ is schrijven met doorsneden. De cijfers die langs een rij of kolom in een Japanse puzzel staan, zijn een projectie van de vakjes ín de puzzel. In het ziekenhuis kan een CT-scanner (computed tomography) een beeld opbouwen van een lichaam, met behulp van röntgenstraling. Er worden dan röntgenfoto’s gemaakt vanuit verschillende hoeken, die elk een projectie laten zien. De computer berekent dan een twee- of driedimensionaal plaatje van bijvoorbeeld schedel of borstkas, als het ware een opgelost nonogram van dat stukje van het lichaam. Naast het medische beeldverwerking in het ziekenhuis is er nog een belangrijke toepassing van tomografie: de materiaalwetenschappen. Een computerfabrikant wil zien of zijn chips goed in elkaar zitten; een fysicus wil de precieze kristalstructuur van zijn materiaal ontdekken, het liefst zonder het kapot te maken.

Joost Batenburg begon zijn studie aan de Universiteit ­Leiden in 1998. In 2002 studeerde hij af in de wiskunde en in 2003 in de informatica, beide cum laude. In zijn ­studententijd haalde hij het nieuws toen hij een wiskundige oplossing vond voor M.C. Eschers beroemde lithografie ‘Het prentenkabinet.’ Escher zelf kwam er niet uit en liet een stukje wit. Batenburg schreef een computerprogramma dat uitrekende wat er had moeten staan. Van 2002 tot 2006 werkte hij als Onderzoeker in Opleiding bij het Centrum voor Wiskunde en Informatica in Amsterdam en bij het Mathematisch Instituut van de Universiteit Leiden. In maart 2006 ontving hij de Philips Mathematics Prize for PhD Students. Hij promoveerde in september 2006 op het proefschrift Network Flow Algorithms for Discrete Tomography. Sinds september werkt hij als postdoc bij het Vision Lab van de Universiteit Antwerpen.

Computerprogramma Bij het maken van driedimensionale beelden van kristallen wordt in plaats van röntgenstraling een elektronenstraal gebruikt, die vanaf een aantal verschillende hoeken op het materiaal wordt gericht. In dit geval levert dit geen mooie doorsneden op, maar alleen cijfers, die aangeven hoeveel atomen er in elke kolom van het kristal liggen; als een Japanse puzzel waarbij alleen het totaal aantal vakjes




schematische weergave van een ct-scanner. een projectiebeeld wordt gemaakt door met een stralings-bundel door het object heen te schijnen en te meten hoeveel van de straling door het object is geabsorbeerd.

“Het meten van projecties van die nanokristallen is reusachtig ingewikkeld”, aldus Batenburg. De kristallen moeten perfect stil liggen, precies onder de juiste hoek gedraaid, en elke doorsnede duurt een half uur om op te nemen. Een materiaalkundige wil dus eigenlijk zo min mogelijk projecties maken, en toch de juiste kristalstructuur achterhalen. “Maar,” zucht Batenburg, “al heb je honderd miljoen beelden, het is altijd mogelijk om meer dan één oplossing te hebben, als je kristal maar groot genoeg is. Het is werkelijk dramatisch.” Zijn rekenmethode ondervangt dat probleem deels, door extra voorkennis over het kristal te gebruiken. De methode vergelijkt twee verschillende doorsneden, en berekent dan alle mogelijke kristalstructuren die kloppen met de gegevens uit die ‘beelden’. Vervolgens neemt het een derde doorsnede, en vergelijkt die met de zojuist gemaakte combinatie. Het aantal mogelijke kristal-

staat dat moet worden ingekleurd, en niet hoe lang de rijen van zwarte vakjes zijn. Lijkt de puzzel uit Batenburgs stellingen voor gewone stervelingen al ondoenlijk, deze berekeningen kunnen echt alleen met een computer worden gedaan. De afgelopen jaren heeft Batenburg gewerkt aan programma’s waarmee de computer die klus kan klaren. “Een deel daarvan deed ik samen met een groep experimenteel natuurkundigen van de University of California in Berkeley”, zegt Batenburg. “Tot nu toe zijn ze erg tevreden met mijn software. We zitten nog wel in een opstartfase: zij meten iets, sturen de data naar mij op, en ik mail de oplossingen terug. Het is niet zo dat ik een kant-en-klaarpakket voor ze heb geschreven.”

high resolution

­transmission electron mi-croscopy (hrtem) beeld van een nanokristal, opgebouwd uit goudatomen. de geprojecteerde atoomkolom-

Diesel De wetenschappers in Berkeley onderzoeken nanokristallen, waarvan er ongeveer een miljard in een suikerkorrel passen. Ze zijn met name interessant omdat hun elektrische eigenschappen afhankelijk zijn van de grootte, zodat je door het formaat van de kristallen aan te passen een materiaal kan maken dat precies doet wat je wilt. In de industrie worden ze gebruikt om zonnepanelen mee te maken, of om diesel te produceren uit aardolie.

men zijn duidelijk te onderscheiden. dit beeld is opgenomen door dr. c. kisielowski van het lawrence berkeley lab.




model van een nanocrystal dat is opgebouwd uit

300 atomen. de roosterposities met een donkere kleur representeren “gaten” in het kristal, de zogenaamde vacancies. dit kristal kan perfect worden gereconstrueerd uit drie projecties door iteratief een aantal problemen voor twee richtingen op te lossen.

ct reconstructie van een plakje ruwe diamant uit

500 projectiebeelden. de diamant, de don-

kere achtergrond en de omringende cilinder hebben elk een specifieke grijswaarde. deze

structuren wordt zo steeds kleiner. “Je convergeert naar een oplossing toe.” Als een materiaalkundige de kennis die hij van tevoren al heeft van het materiaal invoert, kan hij zo in bepaalde gevallen met vier foto’s volstaan.

diamant is gescand door diamscan, antwerpen.

Diamantslijperij De onderzoeker heeft inmiddels een aanstelling aan de Universiteit van Antwerpen. Hij houdt zich daar onder andere bezig met een probleem dat prachtig bij die stad past: diamantslijperij. Een diamantslijper maakt met behulp van tomografie beelden van de ruwe edelsteen, zodat hij kan berekenen hoe daar het beste aan geslepen kan worden. Batenburg: “Zo’n bedrijf gebruikt nu nog een paar honderd beelden, maar met behulp van de juiste rekenmethodes kan dat teruggebracht worden naar een stuk of twintig.” 3 bart braun

stelling

4 bij het proefschrift van joost baten-

burg: ‘discrete tomography can be used to find two solutions of the japanese puzzle in figure

1.




10

Maytal Bivas-Benita, LACDR “DNA-vaccinatie zal er zeker gaan komen; de ontwikkeling ervan heeft alleen tijd nodig.�


DNA-vaccinatie via de longen Mucosale immuniteit geeft de eerste bescherming tegen pathogenen die via de luchtwegen het lichaam binnendringen. Over een aantal jaren kunnen DNA-vaccins die bescherming bieden, bijvoorbeeld tegen tuberculose. Maytal Bivas-Benita promoveerde op een nieuwe, injectieloze afgiftemethode voor DNA-vaccins via inhalatie in de longen. (LACDR), Division of Drug Delivery Technology, was er nog geen onderzoek gedaan naar afgifte van DNA-vaccins via inhalatie in de longen. In de jaren tachtig zijn al wel enkele testen gedaan met DNA-vaccins die werden geïnjecteerd in het spierweefsel. Daarnaast had Tom Ottenhoff van het LUMC (Leiden University Medical Center), Department of Immunohematology and Blood Transfusion met collega’s uit Brussel al enig experimenteel voorwerk verricht naar DNA-vaccinatie tegen tuberculose.

“Tuberculose is een longziekte en ook de infectie verloopt via de longen. De keuze voor deze ziekte om de nieuwe vaccinatiemethode te onderzoeken lag daarom voor de hand. Omdat het vaccin tegen tuberculose op dezelfde manier het lichaam binnenkomt als de infectie, kan het heel lokaal en zeer direct werken. Dit is dan ook het allerbelangrijkste voordeel van vaccinatie via inhalatie in de longen. Afhankelijk van de ziekte kan met deze vaccinatiemethode zowel lokale als systemische immuniteit verkregen worden”, vertelt Bivas-Benita vanuit haar huidige woning in Boston. Toen ze in 2000 aan haar promotieonderzoek begon bij het Leiden-Amsterdam Centre for Drug Research

Tuberculose DNA-vaccins zijn een nieuwe generatie vaccins voor het uitroeien van door bacteriën, virussen of parasieten veroorzaakte infecties en voor het voorkomen en genezen van allerlei ziektes, zoals kanker. Zo’n vaccin is de genetische informatie van verschillende epitopen – de herkenningsplaats op het antigeen waar antilichamen zich aan zullen binden – te combineren met stimulerende cytokines, proteïnen die zich kunnen binden aan specifieke celreceptoren en celprocessen bijsturen. De drager van het vaccin is een nanodeeltje van het biologisch afbreekbare chitosan, een lineaire polysacharide dat wordt geproduceerd uit de exoskeletten van geleedpotigen zoals krabben en garnalen. Deze deeltjes zijn zo klein dat ze

Dr. Maytal Bivas-Benita (1974) werd geboren in Tel Aviv in Israël en studeerde daar farmacie aan de Hebrew University. Na haar afstuderen vond ze in 2000 een promotieplaats in Nederland bij het Leiden-Amsterdam Centre for Drug Research (LACDR), Division of Drug Delivery Technology en promoveerde ze cum laude op 30 juni 2005. Op 27 september 2006 ontving ze tijdens de Figon geneesmiddelendagen als postdoc de NVFW-prijs voor het beste proefschrift.

11


kunnen binnendringen in de cel waar het DNA vervolgens wordt vrijgegeven. Het enige tot op heden bestaande vaccin tegen tuberculose is Bacille Calmette-Guerin (BCG) dat middels injectie wordt toegediend. BCG geeft wel een beschermend effect tegen hersenvliesontsteking als gevolg van tuberculose bij kinderen, maar werkt niet tegen longtuberculose bij volwassenen. Een verbeterd vaccin is daarom beslist noodzakelijk om de ziekte onder controle te krijgen. Maar liefst een derde van de wereldbevolking is geïnfecteerd door de bacterie Mycobacterium tuberculosis. Bij vijf tot tien procent van hen ontwikkelt de ziekte zich ook daadwerkelijk. Tuberculose veroorzaakt jaarlijks nog altijd twee miljoen doden. Een oplossing lijkt ver weg vanwege de opkomst van multi-drug-resistente tuberculose en de dodelijke combinatie van aids en tuberculose. DNA-vaccins kunnen uitkomst bieden, omdat ze veel lokaler en directer werken en sterke cellulaire immuniteit kunnen opwekken.

bij vaccinatie via injecties. Met vaccinatie via inhalatie zal daarom in zeer korte tijd een groot aantal mensen gevaccineerd kunnen worden. Indien bij de distributie van inhalers een duidelijke gebruiksaanwijzing wordt bijgevoegd, kunnen mensen dat zelfs zelf doen. Dit kan in de toekomst van groot belang zijn om uitbraken van ziektes als SARS onder controle te houden. Bovendien is vaccinatie via inhalatie een meer patiëntvriendelijke vorm van vaccineren. Mensen houden immers niet van naalden. De angst ervoor kan zelfs zo groot zijn, dat mensen liever risico lopen dan zich te laten vaccineren.”

Testopstelling

Zelfvaccinatie Maar een DNA-vaccin biedt nog meer voordelen. Dankzij de stabiliteit is het goedkoop en eenvoudig te produceren. Een ander belangrijk voordeel is dat er bij vaccinatie via inhalatie in de longen geen sprake meer is van injecties in spierweefsel of direct in de bloedbaan. “In Afrika raken er door bloedcontact nog dagelijks vele mensen geïnfecteerd met HIV. Omdat het gebruik van vuile naalden een extra besmettingsrisico met zich meebrengt, is vaccinatie via inhalatie een veel veiligere oplossing”, vindt Bivas-Benita. “Bovendien is deze werkwijze veel sneller, omdat geen medisch personeel nodig is, zoals wel het geval is

12

Voordat er überhaupt sprake kan zijn van menselijke studies, is preklinisch onderzoek vereist. Om het DNAvaccin in de longen van muizen toe te dienen, ontwikkelde Bivas-Benita zelfstandig een model en bijbehorende testopstelling. In deze testopstelling werd met behulp van een MicroSprayer het DNA-vaccin als een spray verneveld in de longen van muizen. “Een dergelijke testopstelling was nog niet eerder gemaakt,” vertelt ze, “waardoor er geen achtergrondinformatie over te vinden was. Het was een grote en zeer spannende doorbraak toen uit testen met muizen bleek dat vaccinatie via de longen daadwerkelijk beter werkte dan via injectie. Uit drie afzonderlijke studies kwam steeds exact hetzelfde resultaat.” “Voor de vertaalslag van deze testopstelling voor muizen naar het uiteindelijk gebruik bij mensen bestaan vele verschillende systemen en ieder jaar komen er meer bij. De meest bekende is de inhaler zoals die door astmapatiënten wordt gebruikt. Het DNA-vaccin is toe te dienen als bijvoorbeeld een spray of een droogpoeder. Daar zit het probleem niet, die techniek is voorhanden. De gro-


muis als modelorganisme voor preklinisch onderzoek. door maytal bivas-benita ontwikkelde testopstelling om met behulp van een microsprayer het dna-vaccin als een spray te vernevelen in de longen van muizen.

te uitdaging is om het juiste vaccin te vinden, zoals dat ­tegen tuberculose.”

Posterprijs Reeds in een vroeg stadium bleek er veel interesse te bestaan voor het promotieonderzoek van Bivas-Benita. Al vanaf haar tweede jaar gaf ze lezingen over haar onderzoek op conferenties. Bovendien ontving ze in 2002 een posterprijs. “Na vier jaar onderzoek was en ben ik nog steeds ontzettend enthousiast. Samen met de andere onderzoekers ben ik heel trots dat wij als één van de eersten aan deze innovatieve vaccinatiemethode hebben gewerkt en erover hebben gepubliceerd. Ik heb bewezen dat toediening via de longen een goede methode kan zijn, het werkt zelfs beter dan via injectie. Tijdens mijn promotieonderzoek heb ik aangetoond dat cellen DNA kunnen herkennen dat door een deeltje wordt afgegeven.” “DNA-vaccinatie zal er ook zeker gaan komen,” verwacht ze, “de ontwikkeling ervan heeft alleen tijd nodig. Het is een erg nieuwe techniek. Zulke ontwikkelingen gaan niet over één nacht ijs. Hoe lang het gaat duren, is moeilijk te zeggen. Dat kan tien jaar zijn, maar ook twintig jaar. Ik ben te jong om de complete medicijnintroductie van het laboratorium tot in de apotheek te hebben meegemaakt. Feit is wel dat de ontwikkelingen tegenwoordig veel sneller gaan door de vele nieuwe technologieën.” Na haar promotie op 30 juni 2005 bleef Bivas-Benita enige tijd werkzaam binnen het LACDR als postdoc bij de afdeling Drug Delivery Technology onder begeleiding van prof. dr. Joke Bouwstra. Gedurende deze periode kon ze haar onderzoek naar een DNA-vaccin tegen tuberculose door toediening via de longen voortzetten. “Daarnaast zou de orale route ook nog een mogelijkheid kunnen zijn om

deze toe te dienen. De meeste infecties komen immers via de maag of de longen het lichaam binnen. Tevens wordt momenteel binnen de afdeling Drug Delivery Technology de mogelijkheid onderzocht om vaccins door de huid heen toe te dienen, zonder gebruik van injectienaalden.” Momenteel is Bivas-Benita werkzaam bij het Beth Israel Deaconess Medical Center, Division of Viral Pathogenesis in Boston in de Verenigde Staten. Binnen dit instituut, dat zich bezig houdt met het ontwikkelen van HIV-vaccins, werkt ze aan de ontwikkeling van nieuwe manieren van vaccinatie die specifiek zijn gericht op de cellen van het immuunsysteem. Vaccinatie via de longen behoort hierbij zeker tot de mogelijkheden. “Een belangrijk voordeel is dat het immuunsysteem van het lichaam niet reageert op de deeltjes van het DNA-vaccin. Hierdoor is het zelfs te gebruiken bij HIV-patienten die sterk verzwakt zijn en nauwelijks meer een afweersysteem hebben.” 3 paul schilperoord

13


14

Karl Eichhorn, NHN “Ecosystemen kunnen beter tegen een stootje dan veel mensen denken, maar op de huidige schaal doorgaan kan niet�


Geef het regenwoud de kans om zich te herstellen Als regenwouden maar de tijd krijgen, dan kunnen ze zich heel goed herstellen van zware bosbranden. Maar doordat deze steeds vaker voorkomen als gevolg van menselijke activiteiten, neemt de herstelkracht en daarmee de biodiversiteit snel af. Zelfs in tot twee keer toe verbrande bossen komt nog een geweldige soortenrijkdom voor, die de beschermde status van die bossen rechtvaardigt. Vooral het netwerk van onverbrande stukken bos langs beken en rivieren speelt daarbij een belangrijke rol. Extreme maatregelen zijn nodig om de situatie niet te laten verslechteren. Eigenlijk was Karl Eichhorn naar Borneo getrokken om een populatie-onderzoek naar bepaalde struikachtigen te

doen. Maar bij aankomst bleek dat er na de branden van 1997/’98 – samen met die uit ’82/’83 de hevigste die ooit in de menselijke geschiedenis voorkwamen – te weinig planten overgebleven waren. Dus boog hij zich over de vraag in hoeverre het nog zin heeft bossen te beschermen die toch al een of twee keer verbrand zijn. Is de soortenrijkdom daar niet te erg aangetast? Zit er überhaupt nog groei in zo’n bos, of kun je ze net zo goed helemaal omkappen zoals nu vaak gebeurt? Dat er in de loop van de geschiedenis wel vaker branden hebben gewoed, is volgens Eichhorn heel goed denkbaar, want je vindt vaak houtskool in de bodem van regenwouden. Maar tegenwoordig komen ze wel heel vaak voor – om de 5-15 jaar tegen vroeger misschien eens in de 500-1000 jaar. Daarbij spelen zowel de opwarming van de aarde als menselijk handelen een rol. Eichhorn: “Veel branden worden aangestoken door boeren voor hun zogenoemde slash-and-burn-landbouw. Stukje bos omkappen, in brand

Karl Eichhorn (1967) studeerde biologie aan de ­Universiteit Utrecht. Tijdens deze studie deed hij onderzoek in onder meer Zuid-Limburg (overlevingsstrategieën van kiemplanten), in Guyana (biodiversiteit van kruiden), schreef hij drie scripties en deed hij 13 onderwijsassistentschappen. Na zijn doctoraalexamen in 1996 werkte Eichhorn voor de Vereniging Natuurmonumenten en deed hij als gastmedewerker taxonomisch onderzoek aan de Universiteit Utrecht. In september 1997 begon Eichhorn aan zijn promotie-onderzoek bij het Nationaal Herbarium Nederland in het kader van het NWO prioriteitenprogramma ‘Biodiversity in disturbed ecosystems’. In juli 2003 richtte hij het ecologisch adviesbureau Eichhorn Ecologie op. Hij voert opdrachten uit op het gebied van floristische inventarisatie, vegetatiekartering, ecologisch onderzoek, visie-, plan- en beleidsondersteuning.

15


steken, en klaar is de akker. De voedingsstoffen uit de planten komen in de bodem terecht en de as maakt de grond nog vruchtbaarder. Maar vaak loopt zo’n brand uit de hand, omdat het bos al te lijden had van steeds vaker voorkomende en steeds heviger droogteperioden. Bovendien werken boeren en overheidsbedrijven met steeds zwaardere machines. Veel bos wordt gekapt om aan de vraag in Azië en Europa te voldoen. Er worden wegen aangelegd, wat weer meer mensen aantrekt. Enzovoorts, enzovoorts. Ook is het gebruikelijk om in verbrande gebieden de dode bomen weg te halen en alle nog levende bomen te kappen. Door dat allemaal bij elkaar krijgt het bos niet eens de kans om zich te herstellen.”

in de bodem. Met behulp van lokale deskundigen, het herbarium daar en het herbarium in Leiden hebben we vrijwel alle soorten op naam gekregen. En wat bleek? Zelfs in het twee keer verbrande bos kwamen nog heel veel plantensoorten voor. In het niet verbrande woud troffen we in een gebied van 450 ha 1100 soorten aan, wat aanmerkelijk meer is dan in heel Europa, en in de een of twee keer verbrande bossen toch nog zo’n 800 tot 900 soorten. Dat vond ik wel erg verrassend. Tot dan toe werd altijd gedacht dat er nog maar heel weinig soorten over zouden zijn, maar dat klopte dus niet.” Eichhorn vond het ook opvallend dat de dichtheid van jonge bomen in het twee keer verbrande bos drie keer zo hoog was als in het één maal verbrande bos. Waarschijnlijk kwam dat doordat er zich al voor de brand heel veel zaden in de bodem van het Wanarisetbos bevonden, wat weer te maken had met de aanwezigheid van veel pionierbomen na de eerdere branden van ‘83/’83. Het herstelvermogen van bossen neemt aanzienlijk af als er vaak branden optreden. Dan gaan pionierbomen dood voor ze zaad kunnen maken en het aantal zaden daalt. De bossen worden ijler waardoor ze weer vatbaarder zijn voor droogte en er meer kans is op nieuwe, nog vernietigender branden.

Minder kans op herstel Karl Eichhorn vergeleek voor zijn onderzoek drie bosgebieden in Kalimantan: “In Sungai Wain één van de laatste bossen in het laagland die nog niet ten prooi waren geweest aan een verwoestende vuurzee, een postzegel nog maar. Verder een één maal verbrand bos – ook in Sungai Wain – dat in ‘97/’98 getroffen werd. Tot slot een stuk regenwoud in het Wanariset-reservaat, dat zowel de branden van ‘82/’83 als van ‘97/’98 heeft meegemaakt.” Ook al hadden in de verbrande bossen vrijwel alle kleine bomen het loodje gelegd, toch waren er weer bomen teruggekomen, zowel door het kiemen van zaden als door het uitlopen van wortelstelsels. Eerst inventariseerde Eichhorn op een vrij kleine schaal (18 ha), later in een veel groter gebied van 450 ha. “We bekeken in 80 proefvlakken van 10 x 20 meter heel nauwkeurig wat voor bomen, struiken en lianen er voorkwamen. Alles werd gemeten: stamdikte, aantallen per vierkante meter. Ook inventariseerden we de zaden

Onverbrand netwerk cruciaal Heel erg belangrijk voor het totaaloverzicht in een door brand beschadigd gebied is de schaal waarop het onderzoek wordt gedaan. Pas als je op landschapsniveau kijkt – en dat was nog niet eerder gedaan – kun je zien hoe de situatie werkelijk is. Zo bleken verbrande bossen volgens Eichhorn niet zozeer veel minder soorten te bevatten, maar het overgrote deel van de soorten was in veel kleinere dichtheden aanwezig.

16


verbrande bossen. de structuur van twee verbrande bossen op oostk ­ alimantan, twee jaar na de branden van

1998.

a. het een keer verbrande bos van sungai wain: verspreide opstanden van jonge pionierbomen en (meestal dode) grote bomen in een dichte begroeiing van varens en klimplanten. b. het twee keer verbrande bos van wanariset: een dicht jong bos met pionierbomen van wel zes meter hoog, weinig kruidachtige planten en hier en daar (meestal dode) grote bomen er tussenin.

Eichhorn onderzocht ook de rol van niet-verbrande stukken bos in het proces van behoud en teloorgang van biodiversiteit. Hoewel ze niet talrijk zijn, komen ze wel voor – vooral langs beken en rivieren, waar de grond ook in droge tijden nat blijft. Doordat al die beken en rivieren met elkaar in verbinding staan, vormen ook de onverbrande bosstroken ernaast samen een heel netwerk. De bioloog kon vaststellen, dat in de verbrande bossen de meeste soorten voorkwamen in dat onverbrande netwerk. Veel zeldzame plantensoorten waren zelfs uitsluitend daar te vinden. Het onverbrande netwerk is dus cruciaal voor de totale plantenrijkdom van verbrand gebied én voor de kans op herstel. Want volgens Eichhorn kunnen planten zich van daaruit weer verspreiden naar de door brand getroffen gebieden. Met behulp van remote-sensing-radarbeelden is heel goed te zien dat er in de verbrande bossen van

Oost-Kalimantan van die onverbrande netwerken voorkomen en waarschijnlijk dus ook een grote soortenrijkdom. Volgens Eichhorn zouden ecologen dan ook veel meer moeten samenwerken met remote-sensing-specialisten. “Pas dan krijg je een goed beeld van de hele regio.” Ondanks de positieve conclusies die Karl Eichhorn in zijn proefschrift ‘Plant diversity after rain-forest fires in Borneo’ (2006) kon noteren, is hij vrij somber over de toekomst. Als er geen extreme maatregelen worden getroffen, nemen de branden toe in frequentie en is er geen herstel meer mogelijk. Dan is het over een jaar of tien afgelopen met het regenwoud in het laagland – inclusief de bijbehorende dieren, zoals oerang oetans, pythons en neusapen. Maar als het woud – ook de verbrande gebieden – beschermd blijft tegen menselijke activiteiten, dan is er kans op herstel. 3 godelief nieuwendijk

17


18

Luuk Groenewegen, LIACS “McPal kan het veranderen van een systeem coördineren, en kan ook weer veranderingen dáárin coördineren.”


Een computertaal die de verbouwing redt Iedereen die zich kapot ergert omdat de leiding van het bedrijf aan de organisatie sleutelt: houd moed, Luuk Groenewegen begrijpt je. En iedere baas die wakker ligt omdat de nieuwe organisatie kinderziektes heeft en dus eigenlijk alweer veranderd moet worden: slaap zacht, Luuk Groenewegen kan dat helpen oplossen. Het gereedschap daarvoor heet Paradigm, de programmeertaal waar de 60-jarige informaticus bijna een kwarteeuw geleden de inspiratie voor kreeg. Paradigm is een taal om mee te beschrijven wie wat wanneer doet. En aan helderheid daarover is grote behoefte, bij zowel de onderdelen van een computer als bij wezens van vlees en bloed. Groenewegen weet nog precies waar hij was en wat hij deed toen Paradigm zich voor het eerst in zijn brein nestelde. Natuurlijk was de naam er toen nog niet – over het bedenken van zo’n mooi afgekorte mondvol als ‘PA-

Rallelism, its Analysis, Design and Implementation by a General Method’ doe je wel een paar dagen – en zelfs de gedachte aan een programmeertaal was er niet meteen. “Maar ik wist wel: dit is een krachtige manier van kijken, dát moet helpen.” Hij was op dat moment een computerprogramma aan het analyseren dat iemand anders had geschreven. Het programma slaagde erin om verschillende onderdelen van een computersysteem contact te laten maken met een centrale gegevensopslag zonder ruzie te krijgen of gegevens te beschadigen. Dat is een standaardprobleem in de informatica, maar net zo goed in het dagelijks leven: in het café kan je zomaar gebeuren dat al het personeel andere klanten aan het bedienen is; dan moet je wachten, en maar hopen dat je eerlijk op je beurt mag bestellen. Bij computerprogramma’s is een veelgebruikte oplossing daarvoor een ‘balie’ waar je kunt vragen om toegang

Luuk Groenewegen (60) studeerde wiskunde in Leiden. Na zijn afstuderen in 1972 promoveerde hij aan de TH (nu TU) Eindhoven. Na een korte periode bij Rijkswaterstaat ging hij weer in Leiden aan de slag als onderzoeker informatica. Daar werkt hij sinds 1982 aan coördinatie van processen, wat onder andere leidde tot de programmeertaal Paradigm. In Leiden is hij daarnaast actief in het curriculum ICT in Business. Van 2000 tot 2003 nam hij deel aan het project ArchiMate. Dat is een ook een programmeertaal, waarin ICT-systemen en organisaties kunnen worden beschreven. Begin jaren tachtig presenteerde hij de Teleaccursus ‘Leren programmeren met Pascal’.

19


tot de gegevens. Als de toegang bezet is, moet je wachten. Vervolgens krijg je een seintje dat je erin mag; als je klaar bent, laat je dat zelf aan ‘de balie’ weten; die kan dan de deur openzetten voor de volgende. Het bijzondere van het systeem dat Groenewegen bestudeerde was, dat een onderdeel dat ‘klaar’ was nog niet onmiddellijk met zijn vingers van de centrale dataopslag afbleef. Het bleef actief, maar deed alleen dingen die geen kwaad konden, en die bijvoorbeeld de gegevens niet veranderden. Dat was handig, maar voor Groenewegen betekende het ook een flits van inzicht: om dit systeem te kunnen vergelijken met andere, moest je de onderdelen zoals ze met die balie en de gegevens in de weer waren niet al te precies beschrijven. Je moest niet afdalen in details als ‘niks nodig’, ‘in de wacht’, ‘aangevraagd’ en ‘bezig met de gegevens’. Het moest grover, fundamenteler. Je moest zeggen: ‘gegevens nodig’, zonder opgave van wat zo’n onderdeel dan gaat doen; op dezelfde manier noteerde je simpelweg ‘tevredengesteld’ als de benodigde gegevens binnen waren. Het gedetailleerde gedrag was daar hoogstens een gevolg van. Sterker nog: het gedetailleerde gedrag van een mens of computersysteem kan hetzelfde zijn tijdens verschillende ‘fases’, zoals Paradigm die grove, algemene toestanden noemt. Een klant die iets mag bestellen, kan best de menukaart nog aan het lezen zijn terwijl de ober al bij de tafel staat. In Paradigm zijn die overlappingen juist een verbindingsweg tusen de ene fase en de andere.

communicatieproblemen had met degenen die vanuit de computerwereld begonnen met die nieuwe wetenschap, informatica. Maar hij hield vol. “Het lukte me wel om met deze methode allerlei voorbeeldjes te beschrijven, standaardsituaties in de informatica. En het los te laten op andere ontwikkelingen in het programmeren. Dat leverde allerlei publicaties op, en samenwerking met andere onderzoekers.” Uiteindelijk ging hij toch door de knieën: de taal Paradigm is nu opgeschreven in de formele vorm die daarvoor gehanteerd wordt in de informatica. Zelf wil hij het geen capitulatie noemen, eerder het resultaat van een door hem gewonnen slag: de uitbreiding van Paradigm naar complete computersystemen of organisaties die aan het veranderen zijn. Hoe spannend dat is, blijkt als je bedenkt dat een veranderend systeem vaak een stuk minder goed werkt dan een systeem dat rustig zijn gang mag gaan. Ben je in de kroeg voorzien van je biertje en diep in gesprek met een nieuwe kennis, komt opeens de bediening vragen of je kunt afrekenen, ‘want mijn dienst zit erop’. Ben je net lekker ingewerkt, komt er een memo van de baas dat het voortaan anders moet. “Ga je dan al je werk weggooien omdat het op de nieuwe manier moet,” vraagt Groenewegen, “of ga je geleidelijk over op de nieuwe aanpak, en hoe spreek je dat dan af?”

Abc-tje Het idee dat Paradigm dat soort problemen ook exact kan beschrijven, en dus helpen oplossen, kreeg hij in de jaren negentig. En achteraf is het haast vreemd dat hij er tien jaar op moest wachten, want het stapje dat hij maakte is in de wiskunde een abc-tje: generaliseren, het toepassen van iets op een groter probleem, of op een hoger niveau. Paradigm generaliseren wil zeggen: over een compleet systeem, met al zijn onderdelen en de fases waarin ze kunnen verkeren, gaan praten alsof het één ding is dat in één toestand verkeert, maar dat weldra naar een nieuwe toestand overgaat, waarin alle onderdelen andere dingen kunnen doen. Bij mensen praat je dan niet meer

Onpubliceerbaar Dat hij de rest van zijn beroepsleven met dit idee bezig zou blijven, daar had Groenewegen geen idee van. En bijna was het ook niet gebeurd. “Ik pakte dat achteraf gezien heel kinderlijk aan. Ik dacht: ‘O, dat schrijf ik precies op, ik beargumenteer het wiskundig en dan is het klaar.’ Maar dat artikel was volstrekt onpubliceerbaar. Want de wiskundigen zeiden: dat is informatica, dat is helemaal niet leuk. En informatici struikelden over die rare wiskundige technieken.” Hij kwam nu eenmaal uit de wiskundehoek. Hij zal de enige niet geweest zijn die in het begin

20


over een ober die ofwel een bestelling opneemt, ofwel drankjes rondbrengt ofwel met je afrekent, maar over een mens die in een bepaalde fase van zijn leven ober is en oberdingen doet, maar ook andere fasen kende of kent waarin hij studeert, gepensioneerd is, zaalvoetbal speelt of kinderen opvoedt. Met alle overlappingen van gedragsrepertoire die daar weer tussen kunnen zitten. Aan Paradigm moest daarvoor wel het een en ander verbouwd worden, zodat beschrijvingen van gedrag voortaan ook konden gaan over beschrijvingen van beschrijvingen van gedrag. Dat was het moment dat Groenewegen niet langer kon ontsnappen aan het formaliseren van zijn programmeertaal op de manier waarop informatici dat graag lezen. De formalisering kwam er, inclusief een nieuw onderdeel, McPal, dat zorgt voor het generaliserende vermogen van de taal. Vindt hij Paradigm mooi, op McPal is Groenewegen echt trots: “McPal kan het veranderen van een systeem coördineren, en kan ook weer veranderingen dáárin coördineren. Je hebt dus nooit meer een hoger niveau nodig. Tot voor kort werd voetstoots aangenomen dat dat domweg niet kon.” Paradigm met McPal (die afkorting staat voor Managing changing Processes at leisure) moet dus de ellende kunnen beschrijven die voorvalt in bedrijven die aan het reorganiseren zijn, en waarbij tijdens de reorganisatie alweer blijkt dat het anders moet. Of liever nog: die ellende voorkomen. Dat zou betekenen dat zo’n bedrijf zichzelf niet op de schop neemt volgens een ijzeren, van tevoren door duurbetaalde adviseurs bedacht stramien, maar meer zoals een mens dat doet: met een doel voor ogen, een min of meer vaag plan hoe er te komen en met voortdurend bijsturen onderweg.

“Het werkt organischer”, beaamt Luuk Groenewegen. Dat lijkt allemaal wel veel gevraagd voor een programmeertaal die, ondanks zijn eerbiedwaardige leeftijd, nog nooit echt heeft ‘gedraaid’ op een computer. Maar daaraan wordt door een promovendus nu gewerkt. En Groenewegen lijkt het helemaal niet onmogelijk dat over een aantal jaren echte ingewikkelde softwaresystemen worden verbouwd onder het dirigentschap van een serie Paradigm-instructies, zonder dat ze ooit hoeven te worden stopgezet. Tot die tijd moeten we het doen met een minder tastbare, maar even waardevolle vrucht van zo’n programmeertaal: wijsheid. Groenewegen zelf heeft van de Paradigm-kijk op de wereld regelmatig plezier. “Ga je er vanuit dat mensen in fasen werken, en dat je niet alles weet over hun gedetailleerde gedrag, dan geeft dat rust. Als ik bijvoorbeeld iemand probeer aan te sturen, op een bepaalde manier te laten werken, dan kan het zijn dat ik niets zie veranderen. In plaats van me daarover ongerust te maken denk ik dan: onder de oppervlakte, in het gedetailleerde gedrag dat ik niet ken, verandert er vast al iets, en straks zie ik opeens een nieuwe fase. Al zou het natuurlijk van die persoon toch wel aardig zijn om de baas te laten weten dat de boodschap ontvangen is.” 3 bas den hond

21


22

Sijme-Jan Paardekoper, Sterrewacht “Mijn computersimulaties doen vermoeden dat de theorie op een paar foute aannames is gebaseerd.�


Planeten van nullen en enen Waar de natuur tien miljoen jaar voor nodig heeft, doet Sijme-Jan Paardekooper in een week. Eén druk op de knop, en er ontstaat weer een nieuw zonnestelsel. Met grote en kleine planeten die langzaam naar binnen spiralen, of in sommige gevallen juist naar buiten bewegen. Hemellichamen die met hun zwaartekracht en warmtestraling hun omgeving beïnvloeden, en zo de evolutie van een compleet planetenstelsel sturen. De planetenstelsels van Sijme-Jan zijn allemaal virtueel. Ze bestaan uitsluitend in de geheugenbanken van supercomputers. Planeten van bits en bytes, van nullen en enen. “Na afloop van zo’n simulatie moet je al die getallen inlezen in een of ander 3D-programma”, zegt Paardekooper. “Pas dan kun je plaatjes en filmpjes maken om de resultaten te bekijken en te bestuderen.” Als middelbare scholier in Alphen aan den Rijn had Sijme-Jan al een sterke belangstelling voor de exacte vakken, net als zijn jongere broer Jan-Pieter. “Een oom van ons is wiskundige, dus de exacte genen zijn wel

ergens aanwezig”, lacht hij. Maar terwijl Jan-Pieter wel met een telescoopje de sterrenhemel afspeurde, heeft Sijme-Jan nooit belangstelling gehad voor de amateursterrenkunde. Hij was vooral gegrepen door theoretische boeken over kosmologie, zoals ‘Het heelal’ van Stephen Hawking. Toen hij in 1997 in Leiden aan zijn studie sterrenkunde begon, vormde het onderzoek aan exoplaneten de nieuwste rage in de astronomie. In 1995 was voor het eerst zo’n planeet bij een andere ster ontdekt, en twee jaar later waren er een stuk of tien bekend. Maar toen was het ook al zonneklaar dat er iets raars aan de hand is met die exoplaneten: ze draaiden vaak in onvoorstelbaar kleine baantjes rond hun moederster.

Sijme-Jan Paardekooper (1979) deed in 1997 eindexamen VWO in Alphen aan den Rijn en ging daarna sterrenkunde studeren aan de Universiteit Leiden. Zijn belangstelling verschoof geleidelijk van kosmologie, via zware sterren, naar de vorming en evolutie van planetenstelsels. In 2002 studeerde hij cum laude af in de theoriegroep van Vincent Icke. Daarna deed hij in dezelfde groep vier jaar promotieonderzoek. Nu is hij postdoc in Cambridge.

Migratie “Van meet af aan was duidelijk dat hier migratie in het spel moet zijn geweest”, legt Paardekooper uit. Planeten klonteren samen in een ronddraaiende schijf van gas en stof, en door de zwaartekrachtswisselwerking met kleine deeltjes in de omgeving zal een groter hemellichaam van-

23


zelf naar binnen spiralen. Dat die migratie altijd één kant op gaat, komt doordat de deeltjes buiten de baan van de planeet minder snel ronddraaien dan de deeltjes binnen de planeetbaan. Maar er zijn wel een paar problemen. De migratietheorie voorspelt dat een kleine planeet zoals de aarde veel sneller naar binnen beweegt dan een grote als Jupiter. Dat komt doordat een grote, zware planeet met zijn sterke zwaartekracht een brede lege zone creëert in de ronddraaiende gas- en stofschijf rond een pasgeboren ster. Na ongeveer tien miljoen jaar is die ‘proto-planetaire schijf’ door de jonge ster weggeblazen, en komt de migratie tot stilstand. Grote planeten zijn dan in kleine banen terechtgekomen, maar kleine planeetjes moeten al lang door de ster zijn opgeslokt. Paardekooper: “Je verwacht dat die achter elkaar in de ster verdwijnen.” Het bestaan van de aarde valt met de theorie dus niet goed te verklaren – onze planeet zou enkele tienduizenden jaren na zijn ontstaan al door de zon verorberd moeten zijn. “Er zijn verschillende oplossingen voor dat migratieprobleem bedacht,” vertelt Paardekooper, “en mijn computersimulaties doen vermoeden dat de theorie op een paar foute aannames is gebaseerd.” Zo wordt er vanuit gegaan dat magnetische velden geen rol van betekenis spelen, en dat de temperatuurverdeling in de gas- en stofschijf constant is. Voor zijn afstudeerscriptie in 2000 werkte Paardekooper al aan een beter computermodel, waarin ook de warmtestraling van de pasgevormde planeetkernen werd meegenomen. Die warmte leidt tot druk- en dichtheidsvariaties in de schijf, en dat blijkt van grote invloed te zijn op de bewegingen van de planeetkernen. Paardekoopers promotieonderzoek, uitgevoerd onder begeleiding van de

Leidse astronoom Garrelt Mellema, wijst uit dat die temperatuureffecten tot heel verrassende resultaten kunnen leiden.

Koffiedrinken Via een speciale subsidie konden de Leidse astronomen in het najaar van 2005 twee maanden onafgebroken gebruikmaken van de supercomputer van SARA (Stichting Academisch Rekencentrum Amsterdam). Daarmee werd van verschillende planetenstelsels-in-wording de evolutie gesimuleerd. “Je kunt dan een kleine honderdduizend jaar nabootsen”, zegt Paardekooper. “Als je zo’n simulatie eenmaal opstart, kun je wel een weekje gaan koffiedrinken.” De invloed van temperatuurvariaties in de schijf blijkt veel groter dan verwacht. De migratie van kleine planeten zoals de aarde verloopt niet alleen veel trager dan in het traditionele model; in sommige gevallen is het temperatuureffect zelfs zo sterk dat de migratierichting omkeert. “Heel verrassend”, aldus Paardekooper. “Dit was nog nooit op deze manier door iemand aangetoond. Ik ben ervan overtuigd dat dit ook in werkelijkheid kan gebeuren.” Op 28 september 2006 verdedigde Paardekooper zijn proefschrift ‘Growing and Moving Planets in Disks’ in Leiden; een week later begon hij als postdoc aan de universiteit van Cambridge in Engeland. “Ik heb een aanstelling voor twee jaar binnen de onderzoeksgroep van John Papaloizou”, vertelt hij. “Er wordt hier veel gewerkt aan het modelleren van magnetische velden. Het zal niet meevallen om die ook in de simulaties te verwerken, maar we gaan het proberen.” De eerste vakpublicatie over zijn promotieonderzoek is inmiddels verschenen in Astronomy & Astrophysics. Paardekooper: “Het is nog

24


“Toen ik aan mijn studie begon, had ik hier geen idee van. Als het niet lukt zal ik naar een andere baan moeten uitkijken, misschien wel buiten de wetenschap. Maar ja, ik heb nooit iets anders leuk gevonden, dus ik zou niet weten wat dat dan zou moeten zijn.” Voorlopig bevalt het in Engeland goed. Sijme-Jan heeft er zelfs een volleybalvereniging gevonden om zijn favoriete sport te beoefenen. Nederland is niet al te ver weg, en EasyJet-vluchten zijn lekker goedkoop. Op het simuleren van de evolutie van planetenstelsels is hij nog lang niet uitgekeken, en Cambridge is natuurlijk wel het mekka van de theoretische astrofysica. Zo zit Paardekooper momenteel op hetzelfde wiskunde-instituut als Stephen Hawking, de beroemde lichamelijk gehandicapte geleerde die het kosmologieboek schreef waarmee zijn belangstelling voor de sterrenkunde langgeleden begon. “Nee, ik heb hem nog nooit ontmoet, maar dat komt hopelijk nog een keer. Dat zou wel heel apart zijn.” 3 govert schilling

gasdichtheid in een schijf met een planeet zo zwaar als jupiter. de planeet bevindt zich in (x, y)

= (−1, 0), en draait zijn rondjes tegen de klok in. de ster staat in de oorsprong (niet zichtbaar). links: dichtheid na 120 jaar. de twee getijdengolven zijn duidelijk zichtbaar. rechts: dichtheid na 2400 jaar. de planeet heeft een diep gat gegraven in de schijf. erg vers allemaal, maar er wordt wel heel enthousiast op gereageerd.”

Aanslag Over het leven als postdoc is Sijme-Jan Paardekooper wat minder enthousiast. Zijn vriendin Annemiek werkt als onderwijzeres in Zoetermeer, dus er wordt in de weekenden heel wat op en neer gevlogen. “Elke twee jaar van baan veranderen en steeds weer naar een ander land verhuizen is een aanslag op je privéleven”, zegt hij. Een vaste aanstelling zit er voorlopig niet in, zeker niet in Nederland.

25


26

Ernst Pijper, LIC “Natuurlijk blijven aan een verhaal als dat van ons altijd ‘maren’ kleven. Maar je moet als wetenschapper ook durven uitdagen.”


Handig rekenen aan het simpelste molecuul De Born-Oppenheimer-benadering is een handig en geliefd instrument bij ingewikkelde ­chemische berekeningen. Maar voor reacties tussen moleculen en metaaloppervlakken, een voor de toepassing belangrijke klasse, leek hij ongeschikt. Ernst Pijper en collega’s toonden in Science aan dat je er de wisselwerking tussen waterstof en een platinaoppervlak wel degelijk mee kunt beschrijven. In de theoretische chemie, waar wekenlang durende berekeningen geen uitzondering zijn, moet je altijd eenvoudig beginnen, is het devies van Ernst Pijper. “Als je de wisselwerking bestudeert tussen moleculen en metaaloppervlakken, begin je natuurlijk niet met een 10-atomig molecuul. Al bij een heel simpel molecuul als waterstof merk je dat het een enorm ingewikkeld proces is. De kennis die je daarover opdoet, kun je gebruiken als je naar grotere moleculen gaat.” Tot in mei van dit jaar was Pijper verbonden aan de on-

derzoeksgroep van Geert-Jan Kroes, waar hij rekende aan de wisselwerking tussen waterstofmoleculen en een platinaoppervlak. Zijn wapenfeit van het afgelopen jaar was een artikel in Science, geschreven samen met Leidse, Amsterdamse en Spaanse wetenschappers. Hierin toonden zij aan dat een bekende benadering voor de berekening van ingewikkelde chemische reacties kan worden ingezet om te beschrijven wat er gebeurt als je waterstofmoleculen afvuurt op een platinaoppervak. Deze benadering, de Born-Oppenheimer-benadering, houdt in dat de berekening in twee fasen wordt opgesplitst: de beweging van de elektronen en die van de atoomkernen worden onafhankelijk van elkaar opgelost. Pijper: “In het geval van H2 betekent dit dat je eerst het elektronische probleem oplost, door het molecuul op een bepaalde afstand van en met een bepaalde oriëntatie ten opzichte van het oppervlak te plaatsen. Door dit te herhalen voor heel veel verschillende afstanden en oriëntaties, wordt een potentiaal verkregen die de complete wisselwerking tussen de elektronen van H2 en het oppervlak beschrijft. Die potentiaal wordt vervolgens gebruikt om de beweging van de atoomkernen van H2 naar het

Ernst Pijper studeerde natuurkunde aan de UvA, en begaf zich vervolgens in zoals hij het zelf noemt, het ‘grijze gebied tussen de scheikunde en de natuurkunde’. Hij promoveerde in 2002 in Leiden in de theoretische chemie. Van 2003-2005 was hij postdoc in Nijmegen in de groep theoretische natuurkunde. Daarna kwam hij weer voor een jaar naar Leiden. Vanaf 1 december gaat Pijper werken bij het Nederlands Kankerinstituut/Antoni van Leeuwenhoek Ziekenhuis in Amsterdam. Daar gaat hij nieuwe bestralingstechnieken ontwerpen voor patiënten.

27


oppervlak te beschrijven, en reactiewaarschijnlijkheden te berekenen.”

dagen. Wij zeggen: ‘Energie stroomt niet weg, en onze resultaten bewijzen dat.’ Als anderen het daar niet mee eens zijn, dan laten ze dat maar zien.”

Energie mag niet wegvloeien Paradox

Die ontdekking was revolutionair genoeg voor een Science-artikel. Waarom was hij zo belangrijk? “Om berekeningen te kunnen doen, moet je eerst een benadering maken”, zegt Pijper. “En die Born-Oppenheimer-benadering is een erg handige, die het proces enorm vereenvoudigt. Maar je moet hem wel kunnen gebruiken. De benadering kan alleen worden toegepast als de elektronen netjes de bewegingen van de kernen blijven volgen, m.a.w. als er geen energie wegvloeit tussen het molecuul en het oppervlak tijdens de botsing. Hij is met veel succes gebruikt bij reacties tussen gasmoleculen. Maar hoe goed is-ie voor waterstof op metaaloppervlakken? Verschillende experimenten hebben al aangetoond dat er juist veel energie over en weer kan vloeien voor bijvoorbeeld NO op goud met daarop een laagje cesium.”

Dat de Leidse onderzoekers zo hard zijn gaan rekenen aan waterstof en platina, met deze ontdekking als resultaat, kwam door een paradox, vertelt Pijper. Hij moest toen nog promoveren. Uit twee onafhankelijke experimenten waren tegenstrijdige conclusies naar voren gekomen. Het eerste experiment betrof de reactie van waterstof met een platinaoppervlak. Door de reactie te vergelijken voor verschillende invalsrichtingen van de H2bundel, bleek dat dit oppervlak hobbelig moest zijn. Uit het andere experiment kwam echter het tegenovergestelde: het platinaoppervlak moest glad zijn als een spiegel. Dit experiment onderzocht de mate van diffractie van waterstofmoleculen aan het oppervlak: in wat voor hoeken kaatsen hele waterstofmoleculen terug van het oppervlak? ‘Hoek van inval is hoek van uitval’, concludeerde het experiment, net als bij een lichtbundel op een spiegel. Het oppervlak moest dus glad zijn. Intrigerend, vond Pijpers promotor Geert-Jan Kroes. Wat kunnen wij daarover zeggen? En hij zette Pijper aan het werk. Pijper: “Ik schreef toen een programma dat in eerste instantie vereenvoudigde berekeningen deed, met de bedoeling dat het programma uiteindelijk alle vrijheidsgraden van H2 zou kunnen meenemen. Onze berekeningen lieten zien dat het diffractie-experiment slechts een deel van de werkelijkheid had gemeten – het mat alleen in het vlak van inval – en dat er wel degelijk veel diffractie plaatsvond van waterstofmoleculen, maar juist uit het vlak van inval.”

Maar toen Pijper en zijn collega’s hun theorie gingen vergelijken met experimenten, bleek de benadering voor waterstof op platina juist een prima weg te zijn. Zowel de reactie van de individuele waterstofatomen met het platina kan ermee worden beschreven, als het terugkaatsen van hele waterstofmoleculen aan het oppervlak. De elektronen van H2 en die in het oppervlak blijken zich netjes te gedragen, en er vloeit geen energie weg. Het proces is, in vaktaal, adiabatisch. Pijper: “Als mensen nu berekeningen gaan doen op H2 met een metaaloppervlak, dan weten ze dat ze deze benadering veilig kunnen gebruiken. Natuurlijk blijven aan een verhaal als dat van ons altijd ‘maren’ kleven. Maar je moet als wetenschapper ook durven uit-

28


reactie (rechts) en diffractie (links) van h2 op een metaaloppervlak.

Dit werd experimenteel bevestigd door onderzoekers in Madrid. “Zonder internationale contacten hadden we nooit bereikt wat we nu bereikt hebben, en hadden we dat Science-artikel nooit kunnen schrijven”, weet Pijper. “Eerst ontmoetten we op een congres mensen uit Bordeaux, die ook met waterstof bezig waren, en een heel nauwkeurige methode hadden ontwikkeld om de potentiaal te fitten. Dat betekent: een functie door je berekende punten trekken, zodat je ook voor punten die je nog niet hebt berekend de potentiaal kunt bepalen. Roar ­ Olsen, in de groep van Evert-Jan Baerends aan de VU, heeft die fitmethode geleerd en toegepast op ons systeem. Toen ontmoetten we die experimentele onderzoekers uit ­Madrid; die we konden overhalen om onze berekeningen experimenteel te toetsen.”

brandstof. Ligt er een toepassing in het verschiet? Pijper: “Mogelijk wel. Palladium, en palladium/zilver-legeringen, worden gebruikt om moleculair waterstof te ontbinden in atomen, waarna het waterstof kan worden opgenomen in bijvoorbeeld magnesium. Onze berekeningen laten zien dat de eerste stap, de dissociatiereactie, goed gemodelleerd kan worden met de Born-Oppenheimer-benadering.” 3 hilje papma

de zes vrijheidsgraden van h2 t.o.v. het metaaloppervlak.

Schone brandstof Kennis over de wisselwerking tussen moleculen en metaaloppervlakken is onder meer belangrijk voor de heterogene katalyse. Ook wordt in de groep van Geert-Jan Kroes veel onderzoek gedaan naar waterstof als schone

29


30

Joost Woltering, IBL “Zo precies als de kronkel hox-genen aanschakelt, zo gebrekkig schakelt hij ze uit.�


Kronkelend chromosoom trok lichaam uiteen Een zich door een chromosoom voortbewegende kronkel ligt al sinds de oertijd aan de basis van de embryogroei tussen kop en staart van wormen, vissen en mensen. Door de kronkel verschuift een scheur in het chromosoom steeds een beetje, waardoor steeds nieuwe genen vrij komen te liggen. Joost Woltering van het Instituut voor Biologie gelooft dat het proces bijna autonoom verloopt. “Om te begrijpen hoe het embryo zich ontwikkelt, moet je echt kijken naar het piepkleine in de cel. Hoe uit piepkleine moleculaire veranderingen de grote evolutionaire sprongen kunnen ontstaan, bijvoorbeeld de vorming van een gewervelde uit iets wormachtigs, daardoor word ik echt gefascineerd.” Aan het woord is de bioloog Joost Woltering, veldbioloog van kinds af aan, maar inmiddels helemaal gegrepen door de moleculaire biologie. “Al snel

kwam ik er achter dat wetenschappelijke vraagstukken over bijvoorbeeld evolutie vaak niet goed via traditionele ecologische methoden te beantwoorden zijn. Genetica en moleculaire biologie had ik natuurlijk wel tijdens mijn opleiding als verplicht nummer gehad. Pas later begon ik het belang van de moleculaire aanpak te begrijpen.” Een ‘chromosoomkronkeling’ heeft de moleculair bioloog inmiddels helemaal in zijn greep. Woltering legt uit: “Midden in het chromosoom liggen ongeveer dertien genen – de zogenoemde hox-genen – bij elkaar in een cluster, die bij de kronkeling één voor één worden aangezet. Per lichaamssegment eentje. Het eerste hox-gen dus in de kop, het laatste in de staart. Het doorlopen van het groeiprogramma heeft wel iets weg van het doorgeven van een loopstok bij de estafette. Dit primitieve mechanisme ligt aan de basis van het ontstaan van het eerste gesegmenteerde lancetvisje, een visje dat 435 miljoen jaar geleden al leefde en als onze directe voorouder wordt gezien.”

Al in de zandbak wist Joost Woltering dat hij bioloog wilde worden. ‘Ik wilde van alle planten en beestjes de naam weten. Ik ging altijd vogels kijken in het veld, altijd op pad, altijd de natuur in.’ Nadat hij het gymnasium had afgerond, ging hij dan ook biologie studeren in Groningen, met het doel dierecoloog te worden. In zijn promotieonderzoek, eerst in Utrecht, maar na verhuizing van de vakgroep, in Leiden, zijn het echter nog uitsluitend genen en eiwitten die de klok slaan. “In het lab sta je natuurlijk verder af van het dier in het veld.” Toch is hij veel dingen te weten gekomen over hoe de evolutie werkt, die hij nooit via veldbiologie had kunnen leren.

Schuivende scheur Hoe het moleculaire samenspel tussen het kronkelende chromosoom en het rijtje aanschakelende genen

31


precies in elkaar steekt, is nog niet duidelijk. Maar geen bioloog twijfelt er meer aan dat de schuivende scheur van alles te doen heeft met het ontstaan van kop, staart, arm, vleugel en vin op het juiste moment op de goede plek. Allerlei rare creaturen uit het lab zoals hoofdloze kikkervisjes, vliegen met vier vleugels of vissen met twee koppen, onderstrepen dit. Ze zijn ontstaan bij het ‘experimenteren’ met de hox-genen. “Zo precies als de kronkel hox-genen aanschakelt, zo gebrekkig schakelt hij ze uit”, zegt Woltering. Hij toont zijn laatste meetresultaten. Het zijn kleurenplaatjes van gemodificeerde vissenembryo’s in verschillende groeistadia, waarop te zien is in welke gebieden hox-genen actief zijn. ‘Je ziet aan de voorkant van een segment een rechte streep, maar aan de achterkant een uitgewaaierd gebied. Dit toont aan dat mijn vermoeden juist is.” Wolterings uitwaaieringen ontstaan na het onklaar maken van een klein gen tussen de hox-genen. Volgens Woltering zet deze de hox-genen op de juiste tijden weer uit. “Het kronkelmechanisme kan dit namelijk niet nauwkeurig genoeg.” De hox-genen, de absoluut hoogste bazen onder de genen, blijken dus toch ook zelf weer aan de band van andere te liggen. Er is een gen voor het uitzetten van het eerste en derde hox-gen, en eentje voor het zevende, achtste en negende. Al eerder was aangetoond dat er zulke genen tussen de hox-genen liggen. Het zijn kleine genen met zogeheten palindromen, aangrenzende DNA-fragmenten die dezelfde volgorde van genetische letters hebben, maar in de tegengestelde richting. Woltering begrijpt nu als eerste precies wat deze genen doen. Hij deed zijn ontdekking toen hij een van de hox-clusters in de zebravis bestudeerde. Terwijl de allereerste

kopstaartdeeltjes zoals lancetvisjes in de celkern nog maar één rijtje hox-genen hadden – één zogeheten hoxcluster -, hadden latere vissen er al twee. In hun embryo’s staan bij embryogroei twee ‘groeiklokken’ tegelijk te tikken. Bij moderne gewervelden, zoals haaien en roggen, amfibieën en alle landdieren, zijn dat er zelfs al vier, en bij de meeste vissen die nu leven zelfs acht. “Men denkt dat die verdubbelingen, waarschijnlijk het gevolg van kopieerfouten bij celdeling, het ontstaan van de variatie in lichamen van soorten kan verklaren. Immers, hox-genen kunnen dan muteren, zonder dat het direct fataal is.” Een voorbeeld daarvan is de recente vondst van mutaties die in de tijd precies samenvallen met het ontstaan van de eerste dieren met een buidelzak en baarmoeder. Een handjevol mutaties in het elfde en dertiende hox-gen van het eerste cluster, zo toonde Günter Wagner van Yale University recent aan, zou weleens de reden kunnen zijn van de ombouw van de cloaca – de tunnelvormige holte waardoor reptielen eieren leggen – tot vagina en baarmoeder.

Terrein niet helemaal leeg “Maar de meeste hox-genen verdwenen weer na de verdubbelingen. Ze waren immers overbodig. Bij de zebravis is zelfs de hele achtste rij weg.” Woltering wist echter de voormalige plek van die achtste rij terug te vinden. “En tot mijn verbazing was het terrein niet helemaal leeg.” Eén gen was overgebleven, pakweg honderd letters lang, tegen vele duizenden van een gangbaar hoxgen. “Het was niet het gen an sich dat opviel: je vindt er wel meer van op andere clusters terug. Wat echt apart was dat het er nog steeds zit, terwijl alle hox-genen en tussenliggende codes, pakweg 260 duizend letters in to-

32


a. vijf kopieen van het mir-10 microrna zijn geïdentificeerd in het genoom van de zebravis. b. vergelijking met het humane hoxd

‘synteny gebied’ laat zien dat het micro-rna correspondeert met het ontbrekende hoxdb cluster. c. analyse van de expressie van het micro-rna-gen in de zebravis. bron:

& antony j durston, 38, 601 - 602 (2006)

joost m woltering nature genetics

taal, helemaal zijn weggezuiverd. Zelfs mijn referent bij Nature Genetics begreep daar niets van.” Om gedurende tientallen miljoenen jaren evolutie gespaard te worden, moet je als gen wel wat in je mars hebben. Zo is een rij letters op de hox-genen – het zogeheten hox-domein – bijvoorbeeld nooit veranderd. “Logisch, want dat is het deel van het hox-eiwit dat zich hecht aan DNA. En de hox-eiwitten doen hun werk door andere genen aan te zetten.” Het gevonden gen bleek nu een palindroom te bezitten: het is een zogeheten micro-RNA. Zulke genen doen een beroep op de primitiefste afweer van de cel, een afweer gericht tegen virussen van RNA. Deze afweer herkent elke dubbele streng RNA; dat was dus vroeger:

elk zich delend virus in het celvocht. Hij knipt deze op en ruimt hierna ook alle enkele strengen met dezelfde code op: de niet delende virussen in de cel. Het micro-RNA activeert ook deze primitieve celafweer; het ervan afgelezen RNA vouwt zich namelijk als een haarspeld, en lijkt zo dus op het genetisch materiaal van een zich delend virus. Wolterings micro-RNA heeft precies de code die de afweer ertoe beweegt al het boodschapper-RNA van hox-genen op te ruimen. “Een prachtig mechanisme dus, om hox-genen op het juiste moment op te ruimen. Precies dat wat de primitieve chromosoomkronkel niet kan. Zo kan het lichaam dus nette groeipatronen maken, met mooi gescheiden segmenten.” 3 henk klomp

33


34

Rob Zondervan, LION “Niemand begrijpt precies hoe glas gevormd wordt.”


Stop-motion fotografie in stroperig glas Natuurkundige Rob Zondervan deed onderzoek naar fluorescerende individuele moleculen. Door de vloeistof waarin ze zitten zeer snel te koelen, wordt het op termijn mogelijk om het opvouwen van eiwitten te bestuderen. Ook ontdekte hij dat glycerine bij lage temperaturen het midden houdt tussen een vloeistof en een glas; natuurkundigen gingen er altijd vanuit dat zo’n tussenvorm niet bestond. Als je op het strand staat, kun je aan het patroon van de golven zien waar de zandbanken liggen. De watergolven worden weerkaatst of verbogen, en dat zie je als strepen aan de oppervlakte. Als lichtgolven worden verbogen of weerkaatst door een voorwerp, kun je dat ook visueel waarnemen. Sommige dingen zijn echter te klein voor onze ogen: zoals je aan de golven niet kunt zien waar je zojuist gezonken sleutelbos ligt, zo kronkelen ook de golven van het licht om het echt kleine spul van deze wereld heen. Die zijn dan zó klein dat je ze zelfs met de sterkste lichtmicroscoop niet meer kunt waarnemen. Verreweg de meeste moleculen zijn zó onzichtbaar klein. Dat is jammer, want het zou voordelen opleveren als je individuele moleculen kon bekijken. De farmaceu-

tische industrie is bijvoorbeeld zeer geïnteresseerd in de manier waarop eiwitten zich precies opvouwen. Verkeerd gevouwen eiwitten kunnen namelijk ziektes als Creutzfeldt-Jakob veroorzaken. Dat vouwen valt echter niet te bestuderen door naar duizenden moleculen tegelijk te kijken, omdat al die moleculen net in een andere stap van het opvouwproces zitten. Je krijgt dan een gemiddelde waarde waar je weinig van leert. Inmiddels bestaan er speciale trucs om individuele moleculen te bekijken. Natuurkundige Rob Zondervan promoveerde donderdag 16 maart op zo’n truc. Hij mikte een laserstraal door een sterk verdunde oplossing van fluorescerende moleculen. Als er zo’n molecuul voor de straal zat, kon Zondervan aan de hand van de fluorescentie informatie verzamelen over het molecuul. Omdat je zo’n molecuul chemisch kunt vastknopen aan een eiwit, kun je op deze manier ook vouwende eiwitten bekijken.

Rob Zondervan (1978) studeerde en promoveerde in Leiden. Inmiddels werkt hij als business consultant. Zondervan: “Dat heeft op zich niets met mijn promotieonderzoek te maken, maar stelt wel op ­dezelfde manier je fantasie en analytisch vermogen op de proef.”

Inzicht in verbleking Met behulp van deze proefopstelling konden Zondervan en zijn groepsgenoten een heel scala aan chemische en natuurkundige verschijnselen bestuderen. Hij kreeg

35


culen zelf, was Zondervans opstelling ook geschikt voor het bestuderen van het middel waar ze in opgelost zaten. Bij temperaturen tussen de -63 en -83°C houdt glycerine het midden tussen een vloeistof en een glas. Tot voor kort gingen natuurkundigen ervan uit dat zo’n tussenvorm niet bestond. Glazen zijn van zichzelf al een soort tussenvorm: ze hebben de mechanische eigenschappen van een vaste stof, maar de onregelmatige structuur van een vloeistof. Glazen krijg je door superkoeling, legt Zondervan uit. Hij wijst op een klodder oordruppels op de tafel: “Bij de temperatuur hier zou die glycerine bevroren moeten zijn. Daarvoor moet het echter een energiedrempel over, en die is te hoog.” Net zoals je van gesmolten glas geen zandkorrels meer kunt maken, wordt de vloeistof nu bij afkoeling stroperiger en stroperiger. Op een gegeven moment wordt dat zo erg dat niet meer meetbaar is hoé stroperig precies. “Glas heeft alleen een experimentele definitie,” vertelt de natuurkundige, “de viscositeit is onmeetbaar hoog. Maar wat er vervolgens gebeurt weet je niet, want dat kun je niet meten. Niemand begrijpt precies hoe glas gevormd wordt.”

meer inzicht in de reden waarom fluorescerende stoffen na een tijdje ‘verbleken’: ophouden met licht te geven. Ook richtte hij een verwarmingslaser telkens enkele microseconden op diepgevroren fluorescerende moleculen. Bij de lage temperatuur (zo’n 150 graden onder nul) was hun beweging vastgevroren. Met de laser ontdooide hij telkens voor heel even de oplossing, waardoor de moleculen weer vrij konden bewegen. Zo kon hij de moleculaire beweging als in een soort ‘stop-motion-photography’ volgen. Uiteindelijk is het de bedoeling om op dezelfde manier eiwitvouwing te bestuderen. Behalve voor onderzoek naar de fluorescerende mole-

Bubbels Zondervan heeft echter met zijn onderzoek naar fluorescerende moleculen (fluoroforen) wel bijgedragen aan begrip daarover. De mate waarin zo’n molecuul rondbuitelt door het oplosmiddel, hangt namelijk af van de stroperigheid van het oplosmiddel. “Als je dicht bij het glaspunt van een vloeistof komt, zie je inhomogeniteiten ontstaan”, verduidelijkt de natuurkundige. “Dat zijn een soort bubbels van verschillende stroperigheid.” Wat je nu zou verwachten is dat als je de stof langere

36


temperature-cycle microscopy. rob zondervan heeft met hulp van de excellente technici van lion een opstelling gebouwd voor zeer snelle temperatuurcycli tussen lage en kamertemperatuur door middel van lokale verwarming met een intense laser. in zijn proefschrift heeft zondervan de grote kracht laten zien van de combinatie van fluorescentiemicroscopie aan individuele moleculen met temperatuurvariatie. fluorescentiemicroscopie maakt gebruik van de eigenschap van een selectieve groep moleculen om, na licht te hebben opgenomen, ook weer licht (fluorescentie) uit te zenden. de grote gevoeligheid van dit proces maakt detectie van individuele moleculen mogelijk. deze techniek is in een tiental jaren tijd uitgegroeid tot een niet meer weg te denken karakterisatiemethode in de natuur-, schei-, en materiaalkunde en in de biologie. door processen te bestuderen op het niveau van hun bouwstenen, de moleculen, gaat geen enkele nuance meer verloren.

tijd op die temperatuur houdt, die bubbels verdwijnen. Het is immers een vloeistof waarin alle moleculen vrij kunnen bewegen, en dit soort imhomogeniteiten zouden dan uit moeten wisselen met de rest van de vloeistof: “Dat volgt uit de definitie van vloeistoffen.” Die uitwisseling zie je echter niet. Er ontstaan, zo blijkt uit de metingen, een soort meertjes van vloeistof, die van elkaar gescheiden zijn door een netwerk van glycerine-glas. “Blijkbaar is de verwachting dat alles pas stilvalt op het glaspunt te naïef”, vat Zondervan samen. Hij besluit: “Als je weet hoe glasvorming precies werkt, dan zijn daar natuurlijk brede technologische toepassingen voor te vinden. Vensterglas gedraagt zich waarschijnlijk net zo als glycerine-glas, en je hoeft maar naar je venster te kijken om te zien hoe groot de markt is.” 3 bart braun

37


Briefwisseling Einstein-De Sitter gevonden

zijn zijde had. Tijdens dat debat kwamen zowel Einstein als De Sitter met een heelalmodel: het begin van de relativistische kosmologie. In de hier afgebeelde briefkaart verwijst Einstein naar de zojuist door hem ingevoerde kosmologische constante. Die is later verguisd, maar beleeft nu een comeback als antizwaartekracht die verantwoordelijk is voor de versnelde uitdijing van het heelal. 3 dirk van delft

Briefkaart van Albert Einstein aan Willem de Sitter, 2 februari 1917. Na publicatie van de algemene relativiteitstheorie, november 1915, begon de Leidse astronoom De Sitter een briefwisseling met Einstein. Zo’n twintig Einsteinbrieven en -briefkaarten in het De Sitter-archief van de Leidse Sterrewacht, uit de periode 1916-1918, ­getuigen van een intellectueel debat waarin De Sitter het gelijk aan

38


Tinbergenlezing door E.O. Wilson Op woensdag 24 mei hield de beroemde Amerikaanse bioloog Edward Wilson (Harvard University) in de Pieterskerk de Tinbergen-lezing. De jaarlijkse lezing wordt georganiseerd door onze faculteit, NWO, NRC Handelsblad en Naturalis. Edward Osborne Wilson (1929) is vooral bekend om zijn werk in de sociobiologie, een discipline die hij zelf hielp uitvinden. Zowel zijn bekendste boek over mieren (The Ants, 1990) als dat over mensen (On Human Nature, 1978) wonnen een Pulitzerprijs. Wilson promoveerde op Harvard, en werd daar later hoogleraar entomologie. Hij deed onderzoek naar de structuur van mierenkolonies, en de manier waarop mieren daarin met elkaar communiceren. Zijn idee dat de evolutiebiologie een nuttig kader is voor het bestuderen van het gedrag van mensen en ­andere dieren, vatte hij samen in zijn boek Sociobiology: the New Synthesis, waarmee hij in één klap wereldberoemd werd. Hij won zo’n 75 prijzen voor zijn bijdragen aan de wetenschap, en ontving 27 eredoctoraten. En uiteraard de Willem van Oranje-penning, die rector magnificus Douwe Breimer hem op 24 mei uitreikte. Voorafgaand aan de lezing discussieerde de sociobioloog in de Senaatskamer van het Academiegebouw met Leidse studenten, onder leiding van assessor Joris Berkhout. De studenten hadden ter voorbereiding On Human Nature gelezen. 3

39


Aangeraden 3 4 8

1

2

7 10

5

6

9

1 Nieuwe spijswetten, Louise O. Fresco, ISBN 90 351 3004 9

4 Strandvondsten, Jos van den Broek, ISBN 90 8571 034 0

2 Whose university is it?, Douwe Breimer en Frans Saris, ISBN 10 90 8555 341 5

5 De toppen van het kunnen, Dirk van Delft, ISBN 90 351 3003 0

7 Verwondering, wetenschap in Nederland, NWO, ISBN 90 8506 3523

9 Willem Noske, Hans C. Roskam, ISBN 90 5730 376 0

3 Cd rom Evolutietheorie, Bas Haring, ISBN 90 8530 006 1

6 Mountain flora of Java, 2nd edition, C.G.G.J. van Steenis, ISBN 10 9004 1534 70

8 Hoor je beter in het donker?, Jo Hermans, ISBN 90 8571 061 8

10 Bomen in de buurt, Rinny E. Kooi, Jos Versteegen, ISBN 978 90 807009 6 3

40


Colofon

Adres

Tekst

Druk en opmaak

Bart Braun (Batenburg, Zondervan) Bas den Hond (Groenewegen) Henk Klomp (Woltering) Godelief Nieuwendijk (Eichhorn) Hilje Papma (Pijper) Govert Schilling (Paardekooper) Paul Schilperoord (Bivas-Benita)

Karstens Druk met Communicatie Leiden

Redactie Jos van den Broek Anja de Nijs

Foto’s Hielco Kuipers (Batenburg, Eichhorn, Groenewegen, ­Pijper, Woltering, Zondervan) Genomineerden (Paardekooper, Bivas-Benita)

Oplage

Faculteit der Wiskunde en Natuurwetenschappen Postadres Postbus 9502 2300 RA Leiden

15.800

Copyright Faculteitsbureau Faculteit der Wiskunde en Natuurwetenschappen Universiteit Leiden November 2006 Overname van de artikelen is toegestaan met juiste vermelding van de bron

Bezoekadres Gorlaeus laboratorium Einsteinweg 55 Leiden Secretariaat kamer B114 Telefoon 071 527 69 90 Fax 071 527 69 97 E-mail info@fwnbur.leidenuniv.nl Website www.science.leidenuniv.nl


Universiteit Leiden. Universiteit om te ontdekken.

Trots 2006