Alles begon met de oerknal. Later ontstonden sterrenstelsels met daarin miljarden sterren en planeten. Rondom onze zon klonterde materie samen en een handjevol planeten vormde zich, waaronder de aarde. Op het oppervlak van deze nog hete bol vormde zich een soort oersoep. Daarin klitten atomen samen tot eenvoudige moleculen, waarna een waterval aan vormen van steeds complexere moleculen op gang kwam.

Ergens in dit proces ontstond een vorm, die je ‘levend’ zou kunnen noemen. Uit deze eerste, ongelooflijk eenvoudige levensvorm – een primitieve cel – komen alle planten en dieren voort. Wijzelf dus ook, en de hersenen waarmee we dit miljarden jaren later allemaal proberen te begrijpen.

Zelforganisatie

Maar hoe kan dit in vredesnaam? Hoe kan, schijnbaar uit zichzelf, leven ontstaan? Dat is een vraag die wereldwijd duizenden wetenschappers bezighoudt. Zij kijken vanuit verschillende expertisegebieden naar het ontstaan van leven. Algemeen wordt aangenomen dat zelforganisatie – een complex samenspel van moleculen – heeft geleid tot deze unieke en gecontroleerde opbouw van leven. Hoe combineert levenloze materie zich onderling en evolueert het stapsgewijs tot iets dat leeft? Eigenlijk is het een raadsel dat dit kan.

Een raadsel dat ook prof.dr. Bert Meijer intrigeert. Hij is één van de oprichters van het nieuwe Instituut voor Complexe Moleculaire Systemen (ICMS) van de TU/e. Dit instituut start op het snijvlak van de faculteiten Scheikundige Technologie (ST), Biomedische Technologie (BMT) en Wiskunde en Informatica (W&I) en bundelt onderzoekers die hun tanden gaan zetten in de raadselen van zelforganisatie.

Hoe kan het dat in de natuur schijnbaar nutteloze moleculen als vanzelf samenklitten, zodat het nieuw ontstane klompje moleculen een duidelijke functie heeft? Hoe kan dit zo enorm efficiënt gaan en hoe kunnen we dit verklaren, begrijpen en nadoen in een laboratorium? Dit inzicht moet leiden tot het maken van zelforganiserende moleculaire fabriekjes. “Het is tenslotte het doel van een technische universiteit om wetenschappelijk inzicht om te zetten in technologisch relevante systemen”, zegt Meijer.

Drie doelen

Meijer en zijn collega’s stellen zichzelf drie concrete maar daarom niet minder ambitieuze doelen. Het eerste is het maken van een kunstmatig ribosoom. Dit is het ‘apparaatje’ in een cel dat alle eiwitten produceert. Dit werkt in de natuur verbazingwekkend efficiënt en de hoop is daarvan iets te leren: het synthetisch maken van een polymeer, dat zijn structuur afleest van een polymeer, dat als mal fungeert. Dit aflezen moet gebeuren op een zogenaamde supramoleculaire katalysator die de mal en de bouwstenen van het te vormen polymeer bindt en de vorming van het polymeer versnelt.

Het tweede doel gaat over fotosynthese. “De natuur zet zonne-energie zeer efficiënt om in chemische energie. Dat proces kunnen we nog bij lange na niet fatsoenlijk namaken, maar is een uiterst intrigerende uitdaging”, vertelt Meijer.

Het derde doel is misschien wel het meest realistische: de wens om een soort nanocontainer te maken, die bijvoorbeeld een medicijn bevat. Wanneer deze – met het blote oog onzichtbare – ‘doosjes’ hun lading alleen lozen bij de juiste soort cellen, dan zou je heel gericht een ziekte als kanker kunnen bestrijden. Hiervoor zijn zorgvuldig opgebouwde moleculaire complexen nodig. Daarbij is het niet alleen van belang dat het medicijn en het dragermateriaal elkaar op het juiste moment loslaten, maar ook dat aan de buitenkant specifieke groepen zijn geplaatst die zich aan de juiste cellen binden. Een ingewikkeld samenspel tussen natuurlijke en kunstmatige moleculen.

Drie thema’s

Het onderzoek van het nieuwe instituut kent drie belangrijke thema’s, gebaseerd op de expertise van de bij de oprichting betrokken onderzoeksgroepen. Het eerste thema vormt de basis: een stevige hoeveelheid theorie en modelwerk over niet-lineaire systemen (prof.dr. Mark Peletier, Wiskunde&Informatica, prof.dr. Rutger van Santen, Scheikundige Technologie). Dit wiskundige en natuurkundige fundament is nodig om te beschrijven hoe bijvoorbeeld zichzelf vermenigvuldigende systemen zich gedragen. Ook de ultieme katalysator is sterk op niet-lineaire processen gebaseerd.

Een tweede, meer praktische richting, is het produceren van de reactoren voor het maken van eenvoudige moleculaire systemen met meerdere componenten (prof.dr.ir. Jaap Schouten, Scheikundige Technologie). In zeer smalle en lange kanaaltjes worden verschillende oplossingen met moleculen samengebracht. Geavanceerde meetapparatuur legt de precieze processen vast.

De derde onderzoekstak richt zich op de synthese van een paar complexe, maar slim ontworpen moleculaire systemen (prof.dr. Bert Meijer, Biomedische Technologie en Scheikundige Technologie). Aan de horizon van deze onderzoeksrichtingen gloort de droom van de initiatiefnemers: een Molecular Systems Assembly Line. Dit is een fabriek waarin complexe moleculaire systemen gevormd worden door zelforganiserende processen.

Ambitieus

Het is duidelijk: het nieuwe instituut stelt zichzelf ambitieuze doelen. Daarvan is het op dit moment natuurlijk hoogst onzeker of ze ooit allemaal gehaald zullen worden. Dat is immers de kern van het bedrijven van wetenschap: wat achter de horizon ligt, is vaak een verrassing, evenals hoe snel je het ontdekt.

Maar de oprichters van het instituut zijn ervan overtuigd dat het stellen van zulke hoge doelen gaat leiden tot grote stappen voorwaarts. Wiskundige Peletier: “Met vereende krachten kun je heel veel bereiken. Denk aan de ‘man on the moon’-doelstelling van Kennedy in de jaren zestig. Binnen tien jaar hadden de VS een man op de maan. En dan heb ik het nog niet eens over alle ‘spin-off’-technologie die dat opleverde.”

Chemicus Meijer verwacht dat de industrie veel inzichten over zelforganisatie snel zal oppikken, bijvoorbeeld om nieuwe materialen te maken: “Het wordt steeds duidelijker dat het maken van de juiste formuleringen – zoals in de verfindustrie – heel spoedig meer wetenschap dan ambacht zal zijn.”

Ruimte voor doorbraken

Het nieuwe ICMS wordt gehuisvest in het voormalige ketelhuis van de TU/e, het Ceres-gebouw. Bouwkundestudent Joren Vis maakte het hierboven getoonde eerste ontwerp voor het interieur. Het moet uiteindelijk kantoren, computerruimtes, conferentiezaaltjes en een bibliotheek bevatten en uiteraard het toekomstige lab met de Molecular Systems Assembly Line.

Uit de naam van het gebouw – Advanced Study Center for Complexity – komen de ambities van het nieuwe Eindhovense instituut naar voren. Hoogleraar Bert Meijer spiegelt zich graag aan het wereldvermaarde Institute for Advanced Study in Princeton, waar toppers als Albert Einstein werkten. “Er moet een levendige discussie zijn”, aldus Meijer, “dwars door de grenzen van de disciplines heen. Als wetenschappers op onorthodoxe wijze hun inzichten bijstellen en verdiepen onstaan de echt grote doorbraken. We gaan er iets heel moois van maken, maar dan moeten die mensen van verschillende richtingen elkaar wel de hele dag tegenkomen. Daarvoor wordt dan ook een centrale ontmoetingsplek ingeruimd.”

Meijer benadrukt graag het belang van het instituut voor jonge mensen. “Behalve onze wetenschappelijke interesse is de belangrijkste drijfveer voor de oprichting de grote interesse van jonge studenten voor dit belangrijke onderzoeksgebied, dat tussen de gevestigde disciplines in staat. Ik kom dagelijks briljante studenten en promovendi tegen, die zóveel van de verschillende onderdelen weten en zó’n drive hebben om het ongekende te verkennen. De TU/e is eigenlijk verplicht om voor hen iets speciaals op te zetten. In het instituut verwacht ik veel van deze jonge mensen te kunnen leren. Als dank krijgen zij de mogelijkheid om zich maximaal te kunnen ontplooien.”

Dit artikel is geschreven als onderdeel van een reportage in Cursor, het universiteitsblad van de Technische Universiteit Eindhoven. Het verscheen in Cursor 26 van 2008 op pagina 8.