Sliertjes door gaatjes trekken

Hij maakte nanobuisjes, baarde opzien met zijn geloof in Intelligent Design. Nu heeft nanotechnoloog Cees Dekker een nieuw lab.

Cees Dekker energiek noemen, is een understatement. Dekker snelt door de gangen van het natuurkundegebouw van de TU Delft, vliegt door zijn woorden en heeft een cv dat je ook over twee mensenlevens zou kunnen verdelen. Of drie.

“Kijk”, zegt de nanowetenschapper terwijl hij deur na deur open zwaait. “Hier zie je de meetopstellingen. Allemaal table top.” De microscopen, de lenzen en de elektronica passen, anders gezegd, gemakkelijk op een labtafel. Ze zijn natuurlijk óók “state of the art”, supergeavanceerd, en soms zelfs uniek in de wereld.

Sinds donderdag is Dekker voorzitter van deze gloednieuwe afdeling bionanoscience. Het werk speelt zich er af op de nanometerschaal, de schaal van een miljoenste millimeter. Dat is héél klein: een nanometer is even lang als zes koolstofatomen op een rij. Maar geavanceerde nanotechnieken maken het mogelijk om zelfs op deze schaal te knutselen, te sleutelen en te meten. In dit Delftse lab gebeurt dat nu ook aan levende materialen en aan de bouwstenen daarvan.

Tijdens de snelle rondgang geeft Dekker voorbeelden. “Met het blote oog zie je er natuurlijk niks van”, zegt hij, terwijl hij een chip uit een bakje vist. “Maar hierin hebben we nanogaatjes geknipt. Met een optisch pincet kunnen we daar bijvoorbeeld een enkel DNA-molecuul doorheen trekken.” Een kunststofbolletje, vastgeplakt aan het uiteinde van het DNA, voorkomt dat zo’n ragfijn sliertje meteen helemaal door het gaatje schiet, zoals een knoop in een draad garen het oog van de naald blokkeert.

“Daarna kunnen we de sliert voorzichtig heen en weer schuiven”, gebaart Dekker, “en hem tegelijk aftasten.” Hij vraagt een promovendus om een grafiek erbij te pakken. Een bibberig lijntje geeft weer hoe, al schuivend, de gemeten stroomsterkte over het gaatje verandert. “Hieruit leiden we dan de dikte en de lengte van de sliert af, hoe de elektrische lading erover verdeeld is, en zelfs of er eiwitten aan gebonden zitten.”

Maar hop, we gaan alweer naar een andere opstelling. Vrijwel identiek, alleen heeft deze óók een magnetisch pincet om de DNA-slierten mee te draaien en ze te verwringen. Dekker: “In elke lichaamscel, ook in die van jou, ligt twee meter DNA opgefrommeld in een bolletje van een duizendste millimeter. Het is ontzettend interessant om te weten waar en hoe die DNA-sliert gevouwen kan worden.”

En verder gaan we, want Dekker wil laten zien dat je de nanotechnieken nog héél anders kan inzetten. Je kunt er een appartementencomplex op nanoschaal mee bouwen, een behuizing voor kolonies bacteriën. Die is, alweer, met het blote oog niet te onderscheiden, maar op de ijskast naast de meetopstelling hangt een uitvergroting van zo’n complex van kamertjes en gangetjes .

“Het mooie is dat we de omstandigheden per kamertje kunnen variëren”, zegt Dekker. De onderzoekers in zijn groep geven de bacteriën veel voedsel of juist weinig bijvoorbeeld. En daarna bekijken ze wat de bacteriën doen. Groeien ze steeds langzamer als er veel voedsel is, omdat ze anders met zijn allen uit het kamertje barsten? Trekken ze weg als er sprake is van voedselschaarste? En wat doen ze als de doorgang naar een volgende ruimte te nauw is voor hun lichaamsomvang?

“We hebben gezien” zegt Dekker, “dat de bacteriën (E. coli, red.) in dat laatste geval in een paar generaties hun vorm aanpassen.” Van ‘sigaren’ veranderen de beestjes in platte pannekoekjes die zich relatief gemakkelijk door de doorgang kunnen wringen. En als ze weer genoeg ruimte hebben, nemen zij in een paar generaties hun sigaarvorm weer aan.

Terug in zijn werkkamer heeft Dekker maar één woord nodig om aan te geven wat hem drijft: fascinatie. “Maar eh,” zegt hij dan, “eigenlijk wil ik liever niet dat dit stuk over mij gaat.”

Dit stuk zou, vindt Dekker, over de nieuwe onderzoeksafdeling moeten gaan. Over het prachtige onderzoek van zijn medewerkers, en over de toponderzoekers die nu vanuit de Verenigde Staten tot en met Zuid-Korea naar Delft komen. Niet over hem. “Want die Cees Dekker, die heeft de laatste jaren wel erg veel in de belangstelling gestaan”, zegt hij spottend.

Dekker kreeg niet alleen aandacht wegens zijn werk, maar ook wegens zijn bijdrage, als gelovig christen, aan debatten over God en wetenschap en over Intelligent Design, het idee dat de kosmos het product is van een goddelijk ontwerp.

Eerst over het werk dan. In de jaren 90 deed u zeer succesvol onderzoek aan koolstofnanobuisjes. Een stel publicaties daarover, uit 1997, hoort bij de meest geciteerde in de nanotechnologie. En toch sloeg u twee jaar later al een andere weg in..

“Ja, het ging vervelen.”

Vervelen?

“Die publicaties uit 1997 kwamen natuurlijk voort uit jaren onderzoek. Dat begon al in 1993 met werk aan enkele moleculen. Eind jaren negentig zag ik het onderzoek aan de nanobuisjes bovendien meer en meer gedetailleerd en toepassingsgericht worden. Ik dacht: ik word veertig, hopelijk heb ik nog 30 jaar te gaan op de universiteit en op die lange termijn doe ik liever wat anders. Het leek me ook een goed moment om te switchen, omdat ik hoogleraar werd.”

Als nanowetenschapper wist Dekker natuurlijk wat er met nanotechnieken mogelijk was. “Dat we één enkel molecuul konden strekken, rekken, draaien... Die technieken wilde ik gebruiken bij het bestuderen van biologische problemen. Om te onderzoeken hoe levende cellen werken, en om te kijken wat we ervan kunnen leren”

Geen details uitpluizen, maar nieuwe uitdagingen opzoeken...

“Ja, ik houd ervan de witte plekken op de kaart op te zoeken. Ik houd van de grote vragen en van het exploratieve onderzoek.”

Fysicus en Nobelprijswinnaar Steven Weinberg schreef daarover dat fysici het open water, de ruwe zee, moeten opzoeken, waar ze weinig overzicht hebben, maar waar wel vaak de interessantste problemen opduiken...

“Mm, ik ben het vaak oneens met Weinberg (een overtuigd atheïst, red.), maar dit onderschrijf ik.”

Was u nooit bang dat u de echt interessante kwesties niet zou vinden?

“Nou, ik ben niet zo bangelijk. Ik realiseerde me wel dat ik weer onderaan de ladder zou moeten beginnen. Maar ik dacht: wat kan mij het schelen zo lang het onderzoek interessant en aantrekkelijk is en ik er wat van kan leren.”

Een mooie kant van het onderzoek op de schaal van enkele atomen, ofwel van één enkel molecuul, is dat het na een eeuw van toenemende specialisatie uiteenlopende vakgebieden weer samenbrengt. Een molecuul werkt hetzelfde voor een chemicus, een bioloog en een fysicus. Ook daarom past dit werk aan levende systemen goed aan een technische universiteit, zegt Dekker. Al benaderen fysici en biologen een probleem natuurlijk op verschillende wijze.

“Als fysicus bedenk ik graag een modelsysteem waarin ik precies kan uitpluizen hoe een bepaald deelproces werkt of een molecuul in elkaar zit. Biologen hebben een brede blik en bekijken eerder het totale systeem of proces, waarin ze vervolgens naar afwijkingen zoeken. Maar dat vult elkaar mooi aan.”

Op de nieuwe afdeling moeten onderzoekers elkaar bovendien inspireren doordat ze elk hun eigen invalshoek inbrengen – de cel bestuderen, nanotechnieken verbeteren, levende materie namaken of aanpassen. Dekker: “Om terug te komen op de beeldspraak van de ruwe zee: die máák je misschien wel door mensen met verschillende achtergronden bij elkaar te zetten. Net zoals je ruwe zee krijgt rond de zuidpunt van Zuid-Amerika, waar oceaanstromen botsen.”

Het onderzoek moet twee kanten op werken. Nanotechnieken moeten helpen om de werking van levende cellen en eenvoudige organismen te doorgronden. Dekker: “En omgekeerd levert de biologie fantastische machinerie op die je in allerlei technologie kunt toepassen.”

In 2002 voorspelde u in een Amerikaans tijdschrift binnen vijf jaar biologische moleculen, biologische machinerie dus, te kunnen koppelen aan elektronica op de nanoschaal...

“Heb ik dat voorspeld? Dat weet ik echt niet meer.”

Is het uitgekomen?

Denkt een fractie van een seconde na. “Ja, eigenlijk wel.” Dekker vist een proefschrift uit een kast met plaatjes van de lange draden, ‘microtubili’, die een lichaamscel opspannen en stevigheid bezorgen. Bepaalde eiwitten kunnen, als het ware met kleine voetjes, langs die draden lopen en zo stoffen van de ene naar de andere kant van de cel brengen.

Dekker en collega’s lieten zich door zulke ‘motoreiwitten’ inspireren. “We hebben een soort grasmatje gemaakt waarin die eiwitten met hun kop vastzaten en met hun voeten naar boven wezen. Als ze gingen trappelen konden al die voetjes daarna samen een buisje over de ‘mat’ laten rollen. En door een elektrisch stroompje aan te leggen – de koppeling met elektronica dus – konden we zo’n buisje naar links of naar rechts sturen.”

Zo rolde de nanobuisjes gecontroleerd door een circuitje, als een treintje over een modelspoorbaan met wissels. “In de toekomst kunnen ze misschien stoffen vervoeren in een nanosysteem met vloeistoffen. Het werk deden we in elk geval binnen die vijf jaar, in 2007.”

Als u nu vijf jaar vooruit kijkt, wat voorspelt u dan?

“Nou, eerst moet ik natuurlijk zeggen dat je nooit kunt voorspellen tot welke toepassingen fundamenteel onderzoek zal leiden.” Haalt adem. “Maar op mijn eigen onderzoeksterrein durf ik wel uitspraken te doen.

“De nanogaatjes bijvoorbeeld die ik liet zien, waar we DNA-sliertjes doorheen schuiven, zullen de technieken waarmee we DNA aflezen enorm verbeteren. Nu kunnen we alleen korte stukken DNA lezen, zo’n honderd baseparen lang. Maar over vijf jaar lezen we met die nieuwe technieken razendsnel DNA-slierten met miljoenen baseparen af.

“Dat zal een enorme impact hebben op de maatschappij. Ik denk dat het over vijf jaar heel gewoon is dat de huisarts bij een bezoek een DNA-patroon afleest.”

En verder?

“Het onderzoek aan de platte bacteriën die door nauwe doorgangen reizen zal leiden tot verbetering van antibiotica. Bacteriën komen in verschillende gedaantes voor en ik verwacht dat juist de bacteriën die in de spleetjes tussen je tanden huizen, of achter het klepje van een pacemaker, meer resistent zijn tegen antibiotica. Dat hangt samen met de vorm die ze in zo’n omgeving aannemen, want veel antibiotica werken op de celwand, de buitenkant, van bacteriën.

“Ons nano-onderzoek kan dat helpen ophelderen, maar nogmaals: je kunt nooit voorspellen wat er uiteindelijk uit bepaald onderzoek voortvloeit.”

Naar onvoorspelbare zaken kan ik niet vragen...

“Nee, en dat raakt aan uw eerdere vraag: hoe bepaal je welke onderzoeksonderwerpen interessant zijn, en belangrijk. Daarover moet ik misschien nog zeggen dat je je natuurlijk vaak door gesprekken met collega’s laat inspireren.”

Ter illustratie vertelt Dekker dat een buitenlandse collega zich afvroeg hoe het membraan dat de celkern met het DNA beschermt, eiwitten selectief laat passeren. De Delftse nanogaatjes vormden een perfecte basis om de poriën in het membraan te imiteren en zo die vraag te bestuderen. Zo kwam een heel nieuw onderzoek op gang.

Het liefst zou Dekker nu de namen van al zijn medewerkers opgesomd zien. Nog liever zou hij in dit gesprek niks zeggen over dat andere onderwerp waarmee hij zo vaak in het nieuws kwam: Intelligent Design (ID) en God en wetenschap.

Maar ik wil er toch wat over vragen. In uw inaugurele rede citeerde u Erwin Schrödinger, grondlegger van de quantummechanica...

“Ja, dat is een prachtig citaat, hé.” Dekker duikt in een kast om te kijken of die rede daar nog ligt. Het citaat luidde: ‘Ik sta er versteld van dat het wetenschappelijke beeld van de werkelijke wereld zo onvolkomen is. (...) Het kan niets zeggen over rood en blauw, bitter en zoet, fysieke pijn en fysiek genot; het weet niets van pracht of lelijkheid, goed of slecht, God en eeuwigheid. Wetenschap pretendeert soms wel antwoorden te geven, maar die antwoorden zijn vaak zo onnozel dat we niet geneigd zijn ze serieus te nemen.’

Dekker: “En daar sta ik nog steeds helemaal achter”

Maar id, waar u in 2005 voor pleitte, zoekt sporen van God via de wetenschap, bijvoorbeeld in de evolutie. Dat lijkt me in tegenspraak met dit citaat?

Is even stil. “Nee, want ID is geen Godsbewijs. Kijk, ik heb wat ID betreft een hele evolutie doorgemaakt. Wat ik in de biologie interessant vind is de vraag wat leven is. En ID trok me aan, omdat het een antwoord wilde geven op de vraag hoe je de complexiteit kwantificeert van DNA, eiwitten, cellen en van ingewikkelder biologische systemen. Maar als wetenschappelijk programma faalt het. Ik ben erin teleurgesteld. ID had de pretentie objectieve wetenschap te bieden, maar het heeft die pretentie niet waargemaakt.”

U wil hier liever niet over praten ...

“Nou, ik vind het nu vervelend. Ik wil een gesprek over prachtig onderzoek van een hele afdeling niet vermengen met de persoonlijke visie op geloof en wetenschap van Cees Dekker. En sommige collega’s zullen denken: daar gaan we weer.”

Ziet u wetenschap en geloof weer als gescheiden domeinen?

“Ik ben nog altijd een van harte gelovig mens: ik geloof dat God de wereld in zijn hand heeft en een plan heeft met elk mens. Maar discussies over geloof zijn filosofisch van aard, niet natuurwetenschappelijk. Het gaat erom welk wereldbeeld het beste past bij het totaal van de werkelijkheid. En ik denk dat een christelijk wereldbeeld beter past dan een atheïstisch beeld.”

Aan discussies dáárover blijft hij wel graag bijdragen, zegt hij. Maar nu moet hij aan het werk – er klopt al een promovendus op de deur.