De Groningse chemicus Ben Feringa is een van de drie laureaten van de Nobelprijs voor scheikunde. Eos sprak hem vorig jaar, toen zijn werk met de Solvay-Prijs werd bekroond.
De moleculaire motoren en machines van Ben Feringa kunnen ooit dienen in bijvoorbeeld zeer nauwkeurige medicijnen, nano-pacemakers of zelfhelende materialen. In 1999 presenteerde hij ’s werelds eerste synthetische moleculaire motor. Twaalf jaar later liet hij – opnieuw in wereldprimeur – een wagentje met vierwielaandrijving van amper enkele nanometer groot (een nanometer is 0,000 000 001 meter) rijden over een koperoppervlak.
Moleculaire apparaatjes zouden geneesmiddelen via de bloedbaan naar een heel specifieke plaats in het lichaam kunnen transporteren. Denk aan een antibioticum of antitumormiddel dat werkt in een infectie of een tumor maar gezonde weefsels met rust laat. “Maar voor we zo ver zijn, moeten we de moleculaire motoren nog beter begrijpen”, relativeert Ben Feringa.
“En dat kan enkel door ze te bouwen en ermee te experimenteren, om dan te zien: wat kunnen we hiermee? Vergelijk het met de gebroeders Wright. Zij lieten met hun zelfgebouwd vliegtuigje als eerste zien dat mensen kunnen vliegen. Andere pioniers gingen verder op die kennis, en tegenwoordig vliegen we de wereld rond alsof het niets is. Wij lieten als eerste zien dat je beweging op nanoschaal kunt controleren. Voorlopig kunnen we daar nog niets concreet mee, maar de kennis dat ons lichaam en de natuur dankzij vergelijkbare (natuurlijke) motortjes bestaan, stelt me gerust dat we ontzettend veel revolutionaire materialen en toepassingen gaan ontwikkelen.”
Zo’n moleculaire motor of moleculair wagentje. Wat moet ik mij daarbij voorstellen?
“Wij zijn molecuulbouwers. We bouwen machines die uit enkele moleculen bestaan en amper een miljardste van een meter groot zijn. Inspiratie halen we uit de natuur. In ons lichaam, maar ook in dieren en planten, komen motortjes voor die ervoor zorgen dat cellen delen, spieren samentrekken of stofjes getransporteerd worden. In 1999 bouwden wij de eerste “replica” van zo’n moleculaire motor. Later hebben we het motortje gebruikt om een nanowagentje te bouwen.”
“Het wagentje werkt met vierwielaandrijving. Elk wiel bevat een nanomotortje. Om een beweging in gang te zetten, heb je energie nodig. Die energie komt van het licht. We bestralen het moleculaire motortje waardoor het in geëxciteerde toestand komt. Daardoor gaat een deel van het molecuul een kwartslag draaien. Het molecuul is dan zo instabiel dat het vanzelf nog een kwartslag draait om terug stabiel te worden. Bestralen we het daarna nog eens, dan draait het opnieuw twee keer een kwartslag en heeft het één volledige omwenteling gemaakt.”
“Een cruciaal punt is dat de motor niet willekeurig linksom of rechtsom mag draaien. Denk aan de wielen in je eigen wagen. Als het even waarschijnlijk is dat die naar voor of naar achter draaien, kom je nooit vooruit. Wij moesten dus een controle over de draairichting krijgen: of met de klok mee, of tegen de klok in. Dat hebben we gerealiseerd door een spiegelbeeldvorm van de molecule te maken. Dat is onze grote doorbraak geweest.”
Kunt u het wagentje ook naar een gewenste plek sturen?
“Dat is een grote uitdaging. We zijn nu bezig met het bouwen van weggetjes op nanoschaal. We proberen op die manier te achterhalen hoe we het wagentje van A naar B kunnen laten rijden.”
Hoe bouwt u zo’n wagentje? Vermoedelijk niet op een mini-transportband met een vergrootglas en pincet in de hand?
“Neen. Wij doen dat door chemische synthese. Door grondstoffen te manipuleren (mengen, verwarmen, reacties, isoleren…) hopen we moleculen te maken met eigenschappen die van nut kunnen zijn voor geneesmiddelen, maar ook voor polymeren, brandstoffen of componenten voor bijvoorbeeld shampoo of autolak. Dit is een vrij lastige en ingewikkelde procedure. We hebben aanvankelijk heel wat motortjes gebouwd die het gewoon niet deden. En het heeft ons vijf jaar gekost om ervoor te zorgen dat alle motoren in ons wagentje ook deden wat ze moesten doen.”
“Nu we de nanomotoren beter beginnen te begrijpen, kunnen we nadenken over welke functies we ze kunnen geven. Zo hebben we nu nanoschakelaars gebouwd die met licht in verschillende standen gezet kunnen worden. We bouwen die schakelaars nu in geneesmiddelen in. Op die manier hebben we een antibioticum gemaakt dat je aan en uit kunt zetten. Het antibioticum is in de uit-stand niet werkzaam, maar als je er een licht op schijnt, komt de antibiotische werking op gang. Het idee is dat je zo’n antibioticum inneemt en dan met een lamp precies straalt op de plaats in het lichaam waar het zijn werk mag doen. Op alle andere plaatsen is het dan uitgeschakeld. Daardoor zal een antibioticum dat dient om een huidinfectie te bestrijden bijvoorbeeld geen nuttige darmbacteriën aanvallen. En als het antibioticum uitgeschakeld is, kunnen bacterien er ook geen resitentie meer tegen opbouwen.”
Zo’n aan- en uitschakelaar is ook nuttig voor kankerbehandelingen.
“Een groot probleem bij chemotherapie is dat je heel veel nare bijwerkingen krijgt omdat de therapie niet alleen de tumor maar ook allerlei andere snelgroeiende cellen aanvalt, waardoor de patiënt met haaruitval en allerlei andere bijwerkingen te maken krijgt. Wij zoeken uit of het mogelijk is om een tumor met beeldvormingstechnieken op te sporen en dan enkel daar licht op te stralen. Als een patiënt nu het tumormiddel inneemt, verspreidt dat zich via de bloedbaan, maar schakelt het enkel aan ter hoogte van de tumor. Ook hele kleine tumoren kunnen op die manier behandeld worden. Het is nog veel te vroeg om met dit soort technieken nu al naar de kliniek te gaan, maar wij hebben alvast aangetoond dat het realistisch is om medicijnen te bouwen die je kunt aan- en uitschakelen met licht.”
Natuurlijke nanomotoren zijn noodzakelijk voor het goed functioneren van ons lichaam. Kunnen synthetische motoren die rol overnemen, bijvoorbeeld om verlamde patiënten terug spierkracht te geven, of blinden te laten zien?
“Natuurlijke motoren zijn opgebouwd uit andere stoffen dan onze synthetische motoren. Zo ver zijn we dus nog niet. Maar het is wel realistisch dat het ooit kan. Ik voorspel dat wetenschappers in de toekomst robotjes zullen bouwen die in het lichaam worden geïnjecteerd om daar dan herstellingswerken uit te voeren. Ik denk aan nanopacemakers, maar ook aan robotjes die zenuwcellen in het oog van slechtzienden of blinden stimuleren. Dat is nu natuurlijk nog sciencefiction, maar het is realistisch dat het over veertig jaar kan.”
