Professor in de statistische fysica Dominique Maes (VUB) stuurde een deel van haar onderzoek naar de ruimte. Een verhaal van samenklittende proteïnes, goede planning en de voordelen van commerciële ruimtevluchten.
“Meer is dat eigenlijk niet”, zegt professor in de statistische fysica Dominique Maes, als ze ons de clean room laat zien waarin haar PhD-student een installatie heeft opgebouwd waarin hij faseovergangen van proteïnen onderzoekt. Het is een zinnetje dat vaak zal terugkomen, bezit Maes toch de gave om uiterst ingewikkelde processen op een heel eenvoudige manier duidelijk te maken. En zo treden we in de fascinerende wereld van massatransport, tot in het heelal.
De afdeling Structurele biologie van de VUB bestudeert faseovergangen in eiwitten. Een faseovergang ofwel de wijze waarop eiwitten of proteïnen samenklitten kan op verschillende manieren verlopen. De proteïnen kunnen een rooster vormen, een kristal, maar ze kunnen ook tot een hoopje samenklitten, een aggregaat. Het model ertussenin noemt men fibers. In het menselijke lichaam zijn fibers en aggregaten vaak gelinkt aan ziektes. Als een bepaalde soort proteïne begint samen te klitten , kan ze haar functie niet meer uitoefenen, waardoor je ziek wordt of sterft. Ziektes die hun oorzaak hebben in het samenklitten van proteïnen zijn bijvoorbeeld Alzheimer of ALS, waaraan Stephen Hawking overleed.
“Dat proteïnen die samenklitten niet goed functioneren is bekend. Maar waarom ze precies gaan samenklitten is dat niet“, vertelt Maes. “Vroeger gebruikte men het kristalliseren van proteïnen om hun structuur te bepalen. De structuur van proteïnen geeft informatie over hun werking. Als fysica-wiskundige heb ik dan de vraag naar het kristallisatieproces zelf gesteld. Zo ben ik in dit onderzoek gerold. Proteïnen bewegen zich namelijk in stromende vloeistoffen, in cellen, en op allerlei plaatsen naargelang de ziekte die je bekijkt. In elke omgeving bewegen de proteïnen zich op een specifieke mnier: er is dus een specifiek massatransportregime. Tijdens dit massatransport vinden er faseovergangen plaats en de omgeving waarin dit gebeurt speelt daarbij zeker een rol.”
Massatransport in de ruimte
Voor het onderzoek naar faseovergangen is het nuttig overgangen in verschillende omgevingen te onderzoeken, ook in de ruimte. “In de ruimte heb je een unieke omgeving: er is geen zwaartekracht en de moleculen bewegen heel traag naar elkaar toe, zonder dat ze getrokken en geduwd worden. Deze specifieke omgeving levert heel wat informatie op over je faseovergang. Allerlei effecten die je hier op aarde hebt, schakel je uit. Het onderzoek in de ruimte is een parameter meer in dit fundamentele onderzoek.”, zo vindt Maes.
Momenteel heeft de VUB proteïnen die aan de ziekte ALS gelinkt zijn in een heel geconcentreerde vorm met de NASA mee de ruimte in gestuurd. Het onderzoek naar kristalvorming is onder andere belangrijk voor de medische industrie. Maes: “Een paar jaar geleden zijn verscheidene farmaceutische bedrijven gestopt met de studie naar medicijnen voor ziektes als ALS en Alzheimer omdat het te ingewikkeld en te duur was. Wij zijn net daarom terug bij de basis begonnen. We willen eerst het proces dat de ziekte veroorzaakt heel goed begrijpen, alvorens medicamenten te ontwikkelen.
Medische firma’s hebben ook interesse voor het kristallisatieproces van hun medicatie. De vorm en de grootte van kristallen zijn belangrijk. In de pillen, die je bij de apotheker koopt, zit het eigenlijke geneesmiddel in gekristalliseerde vorm. Grote kristallen lossen trager op dan kleine kristallen. Grote kristallen zet men daarom graag in als een geneesmiddel dat over langere tijd moet werken. Kleine kristallen zijn dan weer van voordeel als een geneesmiddel snel moet aanslaan. Wij bestuderen vooral de nucleatie, dat is de eerste stap in de faseovergang. Hoe komen de proteïnen samen en hoe ordenen ze zich? En hoe kunnen we het samenklitten van de proteïnen verhinderen?
Schilfers en zwangere ratten
Het NASA-experiment bevat achttien verschillende proteïneoplossingen, waarvan vijf van de VUB. Het onderzoek is een samenwerking met de University van Houston. “Ruimteonderzoek is vooral ook een financieringszaak en daarbij speelt de nationaliteit een grote rol,” verklaart professor Maes: “Bij de NASA heb je een Amerikaanse Principal Investigator of PI van het project nodig en enkel de PI wordt dan ook gefinancierd. De PI van het huidige NASA-experiment is Peter Vekilov van de University of Houston. Ik ben co-PI. Bij een ESA-experiment ben ik als Europeaan dan weer PI en krijg ik het geld.” Maes is PI van de Europese ruimteprojecten rond faseovergangen bij proteïnen.
De financiering is één punt. Maar onderzoek in de ruimte moet aan veel meer dingen voldoen: “Een experiment de ruimte in sturen is niet eenvoudig. Het begint vaak, zoals bij de meeste projecten, via een call. Je stelt een project voor en een jury beslist. Het grote verschil is dat je na een positief bericht niet onmiddellijk aan de slag kan gaan. Een eerste vereiste is dat het experiment zo min mogelijk astronautentijd inneemt. In principe moet het experiment zo opgesteld zijn, dat de astronaut het enkel dient op te starten en de rest automatisch verloopt.”
“Het lijkt vanzelfsprekend maar toch is het belangrijk: een ruimte-experiment moet klein en licht zijn en het moet veilig worden aangeleverd in zogenaamde levels of containment. Op ruimtestation ISS is er geen zwaartekracht. Stel dat je experiment lekt, dan heb je geen middelen om het op te ruimen. Huidschilfers behoren trouwens tot de grootste problemen in het ISS: het zit er vol van en men kan ze niet opruimen omdat ze nergens aan blijven kleven en men natuurlijk ook geen venster kan openzetten.”
Vooruitziendheid en timing staan als volgende op de vereistenlijst: “Timing is belangrijk, als je bedenkt dat interventie niet onmiddellijk mogelijk is. Als je iets ziet gebeuren bij een ruimte-experiment ,kan je niet zoals in je laboratorium op aarde meteen ingrijpen. Wat de timing betreft, moet je er eveneens voor zorgen dat de proteïnen enkel onder de micrograviteit in de ruimte beginnen samen te klitten en niet ervoor. Ik ken iemand die graag de geboorte van ratten in de ruimte wou onderzoeken. Maar de ratten waren al bevallen eer ze in het ruimtestation aankwamen. Blijft het experiment goed als de vlucht wordt uitgesteld en zo ja, voor hoelang? Allemaal vrij eenvoudige vragen, maar heel essentieel bij ruimteonderzoek.”
Timing is everything
Er bestaan verschillende technieken om experimenten te laten plaatsgrijpen op het gewenste moment. De onderzoeksgroep aan de VUB speelt vooral met temperaturen. Ze sturen het materiaal bevroren op en laten het door de astronaut ontvriezen, waarna het experiment op gang wordt gebracht. Toch vertelt Maes dat zij vaak verscheidene experimenten moeten klaarmaken en opsturen. Ze vragen voor hun experimenten ook steeds een late access aan, zodat het experiment pas vijf tot tien dagen voor de lancering ter plekke moet zijn.
“Interventie is mogelijk. Vanuit België gebeurt dit via het BUSOC, het Belgian User Support and Operation Centre, een speciale support-dienst in Ukkel. Dit contact verloopt niet rechtstreeks maar via vooraf ontwikkelde, en in geval van een NASA-experiment, door Houston goedgekeurde computerprogramma’s. Bij ons experiment gaat het vooral om temperatuursveranderingen die onderzoekers kunnen vastleggen en bijstellen waar nodig. Ons fundamenteel onderzoek heeft overigens wel tot aangenaam gevolg dat we bij de voorbereiding geen rekening hoeven te houden met de terugkeer van het experiment naar de aarde. Wij onderzoeken enkel wat er ter plaatse gebeurt.”
Commerciële vluchten als springplank
“Nog een belangrijk aspect van onderzoek in de ruimte is vooruitziendheid. Ik ben gevraagd voor onderzoek dat pas ten vroegste binnen drie jaar plaatsvindt, maar ik moet nu beslissen wat en hoe. En dat is meteen ook het grote nadeel van dat ruimteonderzoek: vandaag is deze proteïne interessant maar binnen drie jaar wil ik misschien liever een andere proteïne testen.”
Ook de apparatuur hinkt om dezelfde reden soms achterop. Aan de andere kant wordt er ook speciaal voor sommige experimenten nieuwe apparatuur ontwikkeld. Dat is nu het geval bij de ESA. De ESA ontwikkelt een apparaat dat veel onderzoekers kunnen gebruiken omdat zij allemaal met dezelfde meettechniek werken. Haar ruimte-experiment was bijna niet doorgegaan, omdat de ESA de te ontwikkelen apparatuur oorspronkelijk te ingewikkeld en te duur vond. Maar een commerciële aanbieder maakte het wel mogelijk.
“Particulier of universiteit, bij SAS - Space Application Services - in Brussel, kan je Ice Cubes van 10x10x10 centimeter kopen en voor € 80.000 gaat jouw experiment de ruimte in. Je moet er gewoon voor zorgen dat jouw experiment in die Ice Cube past. Bij elke ESA-ruimtevlucht gaan er SAS-blokjes mee en omdat de ESA dit faciliteert, krijgt ze zelf een paar blokjes gratis. En zo werd het voor de ESA toch interessant om die gesofisticeerde nieuwe techniek – Depolarised Dynamic Light Scattering (DDLS) - voor die Ice Cube blokjes te gaan ontwikkelen. Met DDLS kan je onmiddellijk het verschil zien tussen een kristal en een aggregaat.”
“Commerciële vluchten bieden wel degelijk extra mogelijkheden aan ruimteonderzoek“, zo vindt Maes. “Uiteindelijk kan men stellen dat België als land veel wint bij de ruimtevaart. België draagt relatief veel bij aan de ESA. Maar elke euro komt volgens economische berekeningen drie keer terug. Zo staat het Belgische bedrijf Qinetic in voor de ontwikkeling van de DDLS. SAS is ook een Belgisch bedrijf. Het VUB-onderzoek wordt dan weer door de ESA betaald, een teruggestroomde financiering.”
En dat is wel veel meer.
Meer over het ruimte-onderzoek: http://stories.uh.edu/ISS-experiment/index.html
