Kankeronderzoek begint vaak heel fundamenteel op het niveau van de moleculen, atomen of zelfs elektronen. Met behulp van een supercomputer probeer ik ongebonden elektronen te vatten die betrokken zijn in het ontstaan van kanker.
Mijn broer heeft al tweemaal zijn arm gebroken. Telkens ging hij naar het ziekenhuis om een röntgenfoto te laten maken, zodat de artsen konden zien waar de breuk precies zat. Deze straling is fantastisch om ons een beeld te tonen van onze botten. Maar wist je ook dat röntgenstraling kan leiden tot DNA-schade?
Wetenschappers hebben al meerdere mechanismen ontrafeld van hoe röntgenstraling DNA-schade kan veroorzaken. Over één van deze mechanismen is op dit moment niet zoveel geweten: schade via ongebonden elektronen. Ze worden gevormd doordat de röntgenstraling eerst elektronen losslaat uit moleculen in onze cellen. Hierdoor ontstaat een watervaleffect, en zullen de losgeslagen elektronen op hun beurt andere elektronen losslaan.
De meeste elektronen vinden na een tijdje hun plaats terug, maar sommige kunnen tijdelijk binden op het DNA. Dit zijn de ongebonden elektronen, de naam verwijst dus naar deze tijdelijke binding. Ze komen niet alleen voor op DNA, maar eigenlijk in heel veel moleculen. Wanneer er bijvoorbeeld een ruimteschip aan hoge snelheid terugkeert naar de aarde, wordt het buitenoppervlak door de luchtweerstand extreem warm en worden er miljoenen ongebonden elektronen gevormd. Meestal verlaten de ongebonden elektronen het DNA zonder schade aan te richten. Maar soms blijven ze lang genoeg aanwezig om tot een breuk te leiden. Als de cel deze breuk niet herstelt, kan zich hier op termijn een kankergezwel uit ontwikkelen.
Hoe past mijn onderzoek hierin?
Mijn onderzoek bevindt zich aan het fundament van een preventiemethode: ik zoek naar de positie van het ongebonden elektron in de hoop dat ik hieruit informatie kan halen over hoe de breuk precies ontstaat. Momenteel onderzoek ik nog geen DNA-moleculen omdat deze te groot zijn, in plaats daarvan kijk ik naar een set van kleinere moleculen genaamd chloorethenen. Ook deze kunnen ongebonden elektronen bevatten die een breuk kunnen veroorzaken. Recent is het mij voor deze moleculen gelukt om de ongebonden elektronen te lokaliseren.
De volgende stappen zijn dan om steeds grotere moleculen te beschrijven, met als ultieme doel het berekenen van de elektronenposities in DNA-moleculen. De weg naar het voorkomen van DNA-schade door ongebonden elektronen is nog lang. Zodra mijn deel van het onderzoek afgerond is, kunnen de medische wetenschappers ermee aan de slag om verder te bouwen richting een effectieve preventiemethode.
Hoe doe ik dit precies, de elektronen lokaliseren?
Ik kan niet zomaar met mijn blote oog of zelfs met een vergrootglas of microscoop naar de elektronen kijken, want ze zijn te klein en bewegen te snel. Wat ik wel doe, is berekeningen gebruiken om een model op te stellen van de moleculen en hun elektronen. Een gewone laptop, zoals de mijne, is vaak niet krachtig genoeg hiervoor. Daarom maak ik gebruik van een supercomputer! Deze bestaat uit een reeks individuele maar zeer krachtige computers die samenwerken om berekeningen uit te voeren.
Vanaf mijn laptop leg ik contact met die supercomputer en stuur hem instructies. Kleine berekeningen zijn klaar na enkele minuten, de grotere duren uren of zelfs dagen. Vervolgens stuurt hij mij de resultaten terug onder de vorm van een tekstbestand met een heleboel data. Daarna is het aan mij om die te verwerken en te interpreteren. Deze tak van chemisch onderzoek wordt ook wel computationele chemie genoemd, vanwege het gebruik van computers in plaats van experimenten. In mijn geval is eindresultaat een afbeelding van het molecule, waarop te zien is waar de elektronen zich het vaakst bevinden.
Wat met de ongebonden elektronen?
Voor ongebonden elektronen verloopt dit proces moeizaam. De tijdelijke binding van die elektronen is moeilijk te beschrijven met de meestgebruikte modellen, heel vaak is het resultaat dat het elektron het molecule al verlaten heeft. Het is dan net alsof het elektron zijn tijdelijke verblijfplaats probeert te verbergen.
Mijn onderzoek bestaat uit het uittesten en uitbreiden van reeds bestaande maar weinig gebruikte modellen. Een voordeel van computationele chemie is dat we in onze modellen de moleculen kunnen aanpassen op manieren die in experimenten met echte moleculen niet mogelijk zijn. Ik verander de eigenschappen van de moleculen zodanig dat ze een grotere aantrekkingskracht uitoefenen op het ongebonden elektron. Hierdoor is de tijdelijke binding niet langer tijdelijk maar permanent.
Onderzoekers hadden op die manier al het energieverschil in het molecule kunnen bepalen als gevolg van het ongebonden elektron. Na uitbreiding van deze methode en lang zwoegen ben ik er dus ook in geslaagd om de positie van het ongebonden elektron te bepalen, een eerste doorbraak in mijn onderzoek!
Een gratis preprint hiervan is te vinden bij ChemRxiv. Het artikel zelf werd gepubliceerd in The Journal of Chemical Physics.
Ik ben alvast enthousiast om verder te zoeken en meer te weten over deze fascinerende ongebonden elektronen, en ik hoop jullie ook.
