Wie het woord ‘squaramide’ opzoekt op Wikipedia, ziet een soort buitenaards wezen opgebouwd uit atomen. Twee ronde ogen op steeltjes (dat zijn de zuurstofatomen), een vierkant hoofd (opgebouwd uit vier koolstofatomen), een lijfje van stikstofatomen met armen en benen van waterstofatomen.
Althans: dat ziet iemand zónder scheikundige achtergrond. Voor chemicus Roxanne Kieltyka (38), universitair docent aan de Universiteit Leiden, zijn squaramides iets heel anders: onmisbare bouwblokken. Met de synthetische moleculen creëert ze in haar vakgroep een gel die lijkt op de ‘extracellulaire matrix’, het micromilieu dat onze lichaamscellen omhult. In die gel kan ze vervolgens levende cellen laten groeien, om daarmee uiteindelijk weefsels te kweken die kunnen worden gebruikt voor bijvoorbeeld onderzoek naar ziektes en medicijnen.
Kieltyka werd dit jaar door het Amerikaanse tijdschrift Chemistry & Engineering News (C&EN) uit ruim 350 genomineerden verkozen tot een van de ‘Talented Twelve’: twaalf jonge, veelbelovende scheikundigen. De jury prees de wijze waarop ze de ontwikkeling van nieuwe materialen combineert met biomedische toepassingen. „De ene dag ben ik in gesprek met onderzoekers van het Leids Universitair Medisch Centrum”, zegt Kieltyka terwijl we door het Gorlaeus-laboratorium van de Universiteit Leiden lopen. „De andere dag sta ik hier in het laboratorium bij de zuurkast, waarin we met gevaarlijke stoffen kunnen werken, en bij dit ultrasone bad.” Ze wijst op een bassin waar net een forse badeend in zou passen.
Wat heeft een minibadkuip met vierkante moleculen te maken?
„In ons onderzoek hebben we als basisbouwsteen drie squaramides via koolstofatomen aan een centraal stikstofatoom gekoppeld, waardoor een soort schijf ontstaat. Die schijf is ook weer aan andere moleculen gekoppeld. Elke squaramide hebben we bijvoorbeeld voorzien van een lange ‘staart’ van acht of tien koolstofatomen. In water grijpen die staarten in elkaar, waardoor een proces ontstaat dat zelf-assemblatie heet. Daarbij vormen de squaramideschijven uit zichzelf ketens en uiteindelijk zelfs een driedimensionaal netwerk. Dat netwerk is in staat water op te nemen doordat een deel van het molecuul waterminnend is, en op die manier vormt het een gel.
„Het interessante is dat die squaramideschijven dat stevige netwerk vormen onder invloed van sonificatie, dus door geluidstrillingen. Bij die sonificatie vullen we dit ultrasone bad met water en voegen er squaramideschijven aan toe. Als we er vervolgens geluid doorheen sturen, rangschikken de moleculen zich tot ketens en netwerken, zodat er vanzelf een gel ontstaat.”
Hoe groot is zo’n squaramide?
„Je kunt de moleculen niet zien met het blote oog – ze hebben lengtes van minder dan tien nanometer, oftewel 0,00001 millimeter. Maar onder de elektronenmicroscoop kun je prachtig bestuderen hoe ze ketens vormen, en hoe al die ketens een soort 3D-vlechtwerk vormen. Dat is het leuke van de supramoleculaire chemie, zoals dit vakgebied heet: je ziet hoe kleine bouwstenen samen grote, geordende structuren vormen. En ik was altijd al geïnteresseerd in het raakvlak van scheikunde en biologie.”
Dat raakvlak zoek je nu ook op. Waarin lijkt deze gel op de leefomgeving van onze eigen cellen?
„De extracellulaire matrix rond onze cellen, de ECM, bestaat voor een groot deel uit water met lange vezelachtige eiwitten, zoals collageen. Die bootsen we na met de squaramideketens, en we voegen ook kunstmatige peptides toe aan de gel, vergelijkbaar met peptides in de ECM. Die kunnen de ontwikkeling van stamcellen aansturen en beïnvloeden welk celtypen eruit ontstaan. Hartspiercellen bijvoorbeeld. De gel heeft een zelfherstellend vermogen: als er beschadigingen ontstaan, bijvoorbeeld doordat wij er met een pipet in hebben geprikt om er cellen in te ‘zaaien’, dan repareert hij zichzelf weer. Onze gel moet net als de ECM een veilige omgeving aan cellen bieden. We kweken er nu met succes stamcellen in.”
Waarin verschilt jullie methode van ‘gewone’ weefselkweek in het lab?
„Bij die normale methode is het lastig om uit de stamcellen gedifferentieerde, volwassen functionerende cellen te verkrijgen – om echt levend weefsel te maken, kortom, dat je kunt gebruiken voor het modelleren van ziekten, voor het testen van medicijnen en celtherapie, waarbij je cellen injecteert in je patiënt. Wij willen de ECM zo nabootsen dat de stamcellen zich thuis voelen en die differentiatie en volgroeiing wel zullen plaatsvinden. We hebben bewezen dat stamcellen in onze gel blijven leven, en dat ze hun capaciteit om te differentiëren behouden. Nu willen we verder onderzoeken hoe we de gel zo kunnen optimaliseren dat de cellen ook uitgroeien tot volwassen cellen. We weten al dat de lengte van de koolstofstaarten aan de squaramiden heel nauw luistert. Zijn die te lang, dan lossen de moleculen niet meer op; zijn ze te kort, dan is het geheel te waterig en ontstaat er evenmin een gel.”
Zoals bij havermoutpap? Te weinig vlokken en het blijft vloeibaar, te veel en je lepel blijft rechtop staan…
:format(webp)/s3/static.nrc.nl/images/gn4/stripped/data36492061-b32d15.jpg)
„Precies. Denk aan het sprookje van Goudlokje en de Drie Beren, daar moesten de omstandigheden ook precies goed zijn. Het optimale aantal koolstofatomen in elke staart blijkt 8 of 10 te zijn. Mijn droom is om een collectie van gels op te bouwen, elk geschikt voor een heel eigen celtype. Niet alleen voor regeneratieve geneeskunde, maar bijvoorbeeld ook om ziektes te simuleren of om de werking van medicijnen en gifstoffen in een gecontroleerde, levensechte setting te kunnen onderzoeken. Zo’n gel is dan een model van de natuurlijke leefomgeving van de cel.”
Als je een atoom zou zijn, zou je koolstof zijn, zei je in een interview. Waarom koolstof?
„Koolstof is heel veelzijdig, en je vindt het bijna overal. Ik bevind me soms ook in een hoop verschijningsvormen tegelijk: onderzoeker, docent, moeder van twee dochters. Al die vormen kunnen naast elkaar bestaan, dat is juist het mooie. Mijn oudste dochter van zes gaat ook graag mee naar het lab. Ze vindt het heel interessant dat haar moeder moleculen maakt en cellen kweekt. Ze ziet het een beetje als lego.”