Fundamenteel onderzoek met levensgrote effecten

‘Ik vind het geweldig dat ik echt fundamentele dingen kan onderzoeken, terwijl ik toch bijdraag aan oplossingen voor grote maatschappelijke problemen,’ vertelt Nathalie Katsonis, hoogleraar scheikunde. Ze ontwikkelt adaptieve moleculaire materialen en onderzoekt de chemische oorsprong van leven, wat ook weer inzichten oplevert voor vaccins en het opruimen van olievlekken op zee. Vandaag werd bekend dat Katsonis de Ammodo Science Award for Fundamental Research ontvangt.

FSE Science Newsroom | Tekst Charlotte Vlek | Beeld Leoni von Ristok

Stel je voor, een mens-gemaakt materiaal dat openspringt wanneer er licht op schijnt, een beetje zoals het zaaddoosje van een orchidee. Of een materiaal dat kan oprollen en ont-rollen zoals de ranken van een komkommerplant, of dat de zon kan volgen zoals een zonnebloem. Dit soort materialen is wat Katsonis in haar lab ontwikkelt. ‘We moeten onze ideeën over materialen radicaal gaan aanpassen,’ vertelt ze. ‘Onze groene materialen van de toekomst moeten kunnen veranderen, zich kunnen aanpassen aan hun omgeving, in plaats van er tegen vechten. Deze materialen moeten ook recyclebaar zijn, zodat we niet steeds het oude materiaal weggooien zodra we iets nieuws hebben uitgevonden.’

Katsonis ontwikkelt adaptieve materialen door kunstmatige moleculaire machines te verwerken in grotere moleculaire ensembles. Moleculaire machines zijn mens-gemaakte moleculen die een specifieke beweging of kracht teweeg brengen onder invloed van een externe prikkel, bijvoorbeeld wanneer er licht op schijnt. Katsonis bouwt voort op haar uitgebreide ervaring in dit vakgebied, en was eerder postdoc in de groep van Ben Feringa, die in 2016 de Nobelprijs ontving voor zijn baanbrekende werk aan kunstmatige moleculaire machines. Zoals bijvoorbeeld de nanocar, een auto met als ‘wielen’ vier moleculaire motoren.  

Van nano naar macro

‘Als een moleculaire machine beweegt, dan is dat een beweging op nanoschaal,’ legt Katsonis uit. ‘Ik zet ze in een grotere samenwerkingsverbanden, en uiteindelijk in materialen, waardoor de beweging op grotere schaal plaatsvindt. De kunst is dan om ze allemaal synchroon te laten bewegen: op hetzelfde moment en dezelfde kant op.’ Om dat voor elkaar te krijgen voegde Katsonis een soort ingebakken ‘twist’ toe aan het materiaal. Ze maakt gebruik van een eigenschap van moleculen: chiraliteit, waarbij moleculen die spiegelbeeldig aan elkaar zijn, zoals linker en rechterhanden, niet gelijk zijn. In de natuur hebben levende systemen vaak voorkeur voor één van die spiegelbeelden, en die kleine keuze heeft gevolgen op grotere schaal, waardoor een voorkeursrichting ontstaat in hoe het materiaal georganiseerd is.

Net zoals in de natuur maakt Katsonis steeds gebruik van één van de spiegelbeelden, waardoor ze een materiaal kon ontwikkelen dat graag een bepaalde kant op wil bewegen wanneer de moleculaire motoren in gang worden gezet, in plaats van dat het leidt tot chaotische activiteit in allerlei richtingen. Door technische principes van planten te combineren met die van dieren, zoals de biomoleculaire machines in spieren, heeft Katsonis ongeëvenaarde actieve materialen weten te ontwikkelen.

Inspiratie uit de natuur

Katsonis haalt veelvuldig haar inspiratie uit de natuur. Biologische materialen zijn namelijk tegelijkertijd functioneel, kunnen zich aanpassen, en zijn hernieuwbaar. Kijk maar naar de bladeren van een boom, die zonlicht omzetten in voedingsstoffen maar ook gewoon weer composteren. ‘Al wat leeft, beweegt,’ stelt Katsonis. Daarmee bedoelt ze niet dat bomen zich kunnen verplaatsen, maar wel dat alles wat leeft continu groeit of van vorm verandert. En daarmee komt een inherent vermogen tot aanpassen. Zoals Leonardo Da Vinci al schreef: “Beweging is de oorzaak van al het leven.” 

De praktische toepassingen van de oorsprong van leven

Katsonis’ meest recente onderzoeksonderwerp is de moleculaire oorsprong van leven. Onderzoekers over de hele wereld zijn het erover eens dat dat ooit moet zijn begonnen als een reeks genetische informatie (RNA) in een omhulsel, als een soort primitieve cel. ‘RNA is de ultieme moleculaire machine,’ vertelt Katsonis: ‘een molecuul dat informatie codeert, dat zich kan kopiëren, dat andere reacties kan laten plaatsvinden.’ Het omhulsel van deze primitieve cel bestond waarschijnlijk uit een laag vetzuren, zoals ook nu nog onze cellen omhuld zijn met lipiden. Opvallend genoeg lijken deze primitieve cellen veel op de mRNA-vaccins die in 2023 nog een Nobelprijs waard waren. ‘Het is een mooie toevalligheid,’ vindt Katsonis: ‘dat onze hoop voor de toekomst van de geneeskunde lijkt op het allereerste begin van leven.’ 

‘Deze eerste primitieve cellen noemen we protocellen. Die moeten toch een manier hebben gehad om te bewegen, bijvoorbeeld richting licht of voedingsstoffen, om te kunnen overleven’ stelt Katsonis. Kennis over hoe dit zou hebben gewerkt kan weer nuttig zijn voor de mRNA-vaccins en andere medische toepassingen. Katsonis bootste de omstandigheden tijdens dat ontstaan van het vroege leven na in haar lab, en ontdekte dat die lipiden in het omhulsel waarschijnlijk gevormd zijn door het effect van zonnestraling op water en olie. Dat effect leert ons trouwens ook iets over wat er gebeurt met een olievlek op zee, wat weer nuttig kan zijn voor het beter opruimen van olievlekken. ‘Al was ik niet bezig met eventuele toepassingen toen ik eraan begon,’ voegt Katsonis toe. ‘Ik was gewoon geïnteresseerd in de oorsprong van leven.’

Maar hoe zit het dan met de beweging van protocellen? ‘Vermoedelijk heeft dat ook wat te maken met olie en water,’ vertelt Katsonis. ‘In Trinidad en Tobago is er een meer dat volledig uit olie bestaat, waarin waterdruppels zich kunnen verplaatsen door de vloeistof. Die waterdruppels zijn al lang geleden gevormd. Is dat niet fascinerend? Nou ja, we weten nog niet precies hoe zo’n vroege levensvorm heeft kunnen bewegen. Maar ik heb wel wat aanwijzingen.’

Meer informatie over het onderzoek van Katsonis via Ammodo of op de website van Katsonis’ onderzoeksgroep.