Dit is de tekst van de rede van Prof.dr. Cees Dekker bij de uitreiking van de NWO Spinozapremie Dit materiaal is louter bedoeld ter informatie voor persoonlijk gebruik. Voor ander gebruik van dit materiaal moet toestemming worden verkregen van C. Dekker
Meten aan de moleculaire machinerie van de mens Prof.dr. Cees Dekker
Vanuit de nanoscience... In 1959 sprak Richard Feynman voor de jaarvergadering van de American Physical Society in Caltech een beroemde rede uit met de titel ‘There's plenty of room at the bottom’ [1]. Waar men in die tijd onder de indruk was van het feit dat iemand er in geslaagd was om de pakweg 70 woorden van het Onze Vader af te drukken op het oppervlak van een speldenknop, toonde Feynman zich de visionair die voorspelde dat de informatiedichtheid nog ongelofelijk sterk zou toenemen. Hij voorzag geen enkel bezwaar om informatie op te slaan zelfs tot op het niveau van enkele atomen en op basis hiervan zeer krachtige computers te bouwen. Hij wees hierbij op informatieopslag in de biologie waar in DNA een enkel bit wordt gerealiseerd op de schaal van één nanometer. Feynman voorspelde reeds dat het mogelijk zou zijn om ‘ultimately, in the great future’ structuren te maken met de atomen één voor één zoals we ze zouden willen hebben. Dat laatste is in het laatste decennium in zicht gekomen in een onderzoeksgebied dat algemeen wordt aangeduid met de naam nanotechnologie [1]. De naam is afgeleid van ‘nanos’, het griekse woord voor dwerg. Dat is bepaald toepasselijk want in de nanotechnologie draait het om het waarnemen, bestuderen, en manipuleren van enkele atomen en moleculen, oftewel wetenschap en technologie op de schaal van een nanometer. Een nanometer is een miljoenste millimeter. Dat is onvoorstelbaar klein. Op 1 nanometer passen slechts 6 koolstof atomen op een rij. Een gemiddelde menselijk haar, die we nog net met het blote oog kunnen waarnemen 2
is toch zo’n 80000 nanometer dik. De doorbraak bij het ontsluiten van de nanotechnologie was de ontwikkeling van de Scanning Tunneling Microscope (STM) door Heinrich Rohrer and Gerd Binnig [2]. In zo’n STM laat men een heel klein naaldje over een oppervlak lopen waarbij dit naaldje heel gevoelig de hoogte ‘voelt’ en zo het oppervlak aftast. Met deze tastmicroscoop kon men voor het eerst een afbeelding maken van een oppervlak waar de afzonderlijke atomen zichtbaar waren! Nanotechnologie trekt momenteel zeer de aandacht met beloften van een grote maatschappelijke impact. Van een ontwikkelde nanotechnologie is nog nauwelijks sprake maar wel is er een overvloed van zeer interessante nanoscience. De enkelatoom en enkel-molecuul nano-technieken bieden fascinerende mogelijkheden om materialen en biologische cellen te onderzoeken op een wijze die voorheen niet mogelijk was, namelijk op het allerkleinste niveau van de enkele bouwstenen. De Spinoza premie 2003 werd aan mij toegekend voor onder andere het werk dat onze groep deed aan koolstof nanobuizen [3]. Deze nanobuisjes zijn buisvormige moleculen (Fig.1) die in 1991 werden ontdekt door Sumio Iijima [4]. Ze bestaan uit alleen koolstof, hebben een diameter van ongeveer een nanometer, zijn het sterkste materiaal op deze aardbol, en hebben ook nog eens zeer interessante elektrische eigenschappen omdat ze halfgeleidend of zelfs metallisch kunnen zijn. Al deze eigenschappen zijn te meten op het niveau van een enkel molecuul. Zo hebben wij met behulp van een STM kunnen aantonen dat deze nanobuisjes inderdaad zoals voorspeld halfgeleidend of metallisch zijn, afhankelijk van de spoed waarmee het koolstofrooster om de buis heen spiraliseert. Ook ontdekten we dat deze buisjes op prachtig quantum coherente wijze elektronen geleiden. Onze groep demonstreerde in 1997 een eerste prototype van werkende moleculaire transistor bij kamertemperatuur. Het hart van het device, het schakelelement, bestond uit slechts één koolstof nanobuis molecuul. In het veld van de moleculaire electronika was dit de vervulling van een reeds lang3
bestaande droom. Deze buisjes zijn wellicht hét icoon van de nanotechnologie geworden vanwege hun unieke elektrische eigenschappen maar ook hun veelzijdigheid. Nadat in de afgelopen paar jaar een heel arsenaal van protoype enkel-molecuul devices is gedemonstreerd, is de volgende grote uitdaging hoe je niet één maar vele miljarden moleculaire transistors in parallel kunt assembleren op een chip. Met ons recente resultaat om nanobuisjes te koppelen aan DNA hopen we ook hier een bijdrage aan te leveren [5]. DNA is het genetische materiaal in onze cellen dat de erfelijke informatie vastlegt via codering in een lange keten van miljoenen base-paren met een ‘alfabet van 4 letters’: G voor guanine, C voor cytosine, A voor adenine en T voor thymine. DNA kan ook gebruikt worden voor heel andere doeleinden dan informatiedrager in de cel. Ned Seeman heeft een DNA nanotechnologie ontwikkeld waar hij het DNA uit de biologische context haalt en het gebruikt als een ‘programmeerbare lijm’ [6] (Fig.2). Omdat in de DNA dubbele-helix structuur A koppelt aan T, en G aan C, kun je bijvoorbeeld een DNA strengetje met code CGCAAT uniek koppelen aan een ander stukje met code GCGTTA. Dit biologische bouwprincipe gebruikt Seeman om heel nieuwe nanostructuren te maken zoals een DNA kubus, DNA tegels en DNA netwerken. Deze zijn nuttig als elementen in berekeningen (‘DNA computing’) of als raamwerk voor het aanbouwen van weer andere nanodeeltjes. In dat laatste geval combineer je de voordelen van twee werelden, de moleculaire biologie en de elektronica, omdat de unieke bio-assemblage eigenschappen van DNA worden gekoppeld met de superieure elektronische eigenschappen van inorganische componenten als metalen of halfgeleidende clusters en nanobuisjes.
4
...naar een studie van het wagenpark van de levende cel Het gebruik van DNA als bouwmateriaal is slechts één voorbeeld van ‘bionanotechnologie’. Dit subgebied van de nanoscience is echter veel breder dan dat. De levende cel zit tjokvol met moleculaire nanomachientjes [7] die met de nieuwe technieken op het niveau van enkele moleculen zijn te ontrafelen. Elke cel van een organisme, van bacterie tot mens, heeft een complexe structuur met vele samenwerkende delen, een membraamwand, een celkern, een celskelet, mitochondrieën, Golgi blaasjes, en nog veel meer. De indrukwekkende organisatie van de levende cel kunnen we bijvoorbeeld illustreren door deze een miljard keer te vergroten. We zien de cel dan als een 20 kilometer groot complex dat oogt als een gigantisch ruimteschip. Als je binnenkomt binnen één van de vele duizenden ingangen zie je een duizelingwekkende hoeveelheid geautomatiseerde robots aan het werk. Deze eiwit machines van elk een paar meter groot zijn opgebouwd uit een paar duizend atomen. Er zijn duizenden verschillende robots aan 't werk en elk heeft zijn eigen specifieke taak in het onderhoud van de structuur van het ruimteschip, de communicatie met andere robots, het omzetten van chemische stoffen, de fabricage van andere robots, et cetera. Het ruimteschip heeft een complexe opzet met vele substructuren: Er zijn treinverbindingen waar wagons via rails van plek A naar B worden gestuurd, er zijn energiecentrales die uit de extern verworven voedingsstoffen brandstof produceren, er zijn industriegebieden waar nieuwe robots worden gemaakt en oude worden afgebroken, er is een vuilnisophaaldienst, enzovoorts. De 4 meter dikke buitenkant van het ruimteschip is van groot belang tegen de vijandige wereld daarbuiten. Er is dus een defensiesysteem, en een kundig systeem van sensoren en poorten om de juiste stoffen wel of niet naar binnen te laten. Een structuur van centraal belang is de grote (~1 km) bolvormige bibliotheek die alle blauwdrukken bevat met alle informatie die de cel 5
mogelijkerwijs in zijn bestaan maar nodig zou kunnen hebben. Deze informatie wordt door controle-robots voortdurend gecontrolleerd op mogelijke fouten, en als onvolkomenheden worden ontdekt worden ze ter plekke hersteld. Deze beschrijving is nog maar het tipje van de ijsberg maar het geeft een idee van de duizelingwekkende complexiteit van de cel. Als toegift nog dit: Bedenk eens wat een ontzagwekkend spektakel het zou zijn om de celdeling mee te maken, een proces waar in een uur het gehele ruimteschip met alle substructuren zich opdeelt in twee compleet nieuwe ruimteschepen met elk wederom een bibliotheek, energiecentrale, etc etc. De recente technieken uit de nanoscience hebben de weg geopend om de moleculaire onderdelen van de cel stuk voor stuk te gaan bestuderen. Het moge duidelijk zijn dat dit een zeer rijk gebied voor onderzoek is. Ik beperk me hier in het noemen van slechts enkele voorbeelden.
Organisatie van DNA in de celkern Voor de gebruik van de genetische informatie is het belang te begrijpen hoe DNA precies is georganiseerd en samengepakt in de celkern. Hoe is het DNA met een lengte van een meter in zo’n klein volume van slechts een micron ‘opgevouwen’? (Vergelijk het met een kilometer lang touw dat in een bolletje van een millimeter wordt opgerold, en waarvan toch elke plek beschikbaar is om informatie over te dragen.) Wat zijn de interacties tussen het DNA en de eiwitten die hiervoor zorgen? Door de nanotechnologie is het mogelijk om de mechanische eigenschappen van een enkel DNA molecuul direct te meten met een AFM tastmicroscoop of met nieuwere enkel-molecuul gereedschappen zoals een optische pincet. DNA gedraagt zich normaliter als een enigszins flexibel polymeer. Als je eraan trekt kun je het wat oprekken. Voorbij het punt waar je zou verwachten dat het zou breken, strekt het zich onverwacht 6
nog eens extra uit en wordt het DNA nog bijna eens zo lang [8]. Alle relevante krachten in dit proces zijn te meten op het niveau van een enkel DNA molecuul. Soortgelijk kun je ook de krachten meten tussen DNA en een eiwit dat het DNA wil opvouwen of repareren, en zo een aanzet geven tot het begrijpen van de organisatie van DNA in de celkern.
Moleculaire motoren aan de basis van het leven Motoreiwitten vormen voor mij de meest fascinerende structuren van de biologische cel. Een voorbeeld van zo'n biomoleculaire motor is het eiwitcomplex F0F1 ATPase [9]. Het ingenieuze ontwerp van dit stukje nanotechnologie in de cel is indrukwekkend, zie Fig.3. In een structuur van minder dan 10 nanometer wordt via een intrigerend rotatiemechanisme een chemische stof geproduceerd met een efficiëntie van vrijwel 100%. F0F1 ATPase bestaat uit de combinatie van een protonpomp en een rotatiemotorgedeelte. De pomp drijft de rotorbeweging aan; hóe precies is nog een open vraag. Bij elke rotatie wordt mechanische energie gebruikt voor de chemische omzetting van ADP naar ATP, de chemische brandstof in de cel. Het proces kan ook andersom worden uitgevoerd waarbij dus met chemische energie een mechanische beweging wordt aangedreven. De ATP huishouding is essentieel voor de cel, en ons lichaam bevat wel 1014 van deze biomotoren. Met recente optische technieken is het mogelijk de rotatiebeweging van één enkel F1 ATPase direct waar te nemen, hetgeen voor het eerst werd uitgevoerd door de groep van Masasuke Yoshida [10]. De F1 ATPase motor kan roteren met een snelheid van 100 omwentelingen per seconde en blijkt een torsie van meer dan 80 pNnm te kunnen uitoefenen. Dit opent wellicht de weg voor hybride bionanodevices. Een groep in de USA heeft reeds nikkel staafjes van 1 micron lengte, gefabriceerd met nanolithografie-technieken, vastgemaakt aan de rotor, en vervolgens de rotatie waargenomen [11] Met biochemische schakelaars kan men de motor ook nog eens aan en uit zetten. F0F1 7
ATPase is een prachtig biologisch voorbeeld van ‘bottom up’ fabricage waar met supramoleculaire structuren een complex is gerealiseerd met een bepaalde functie, een motor voor chemische synthese in dit geval. Het bekendste voorbeeld van een lineaire biomotor is kinesin. Dit is een eiwitcomplex dat met twee voetjes loopt over een microtubule, en zo onder meer het transport van blaasjes verzorgt in de cel. Door het blaasje te vervangen door een balletje dat gevangen wordt in een optisch pincet is de stapbeweging gemeten. Kinesin blijkt elke 10 ms een stapje van 8 nm te maken. Verder biofysisch onderzoek is gaande, en ook hier zijn de allereerste schreden gezet om te bezien of we deze elegante biomotoren ook kunnen gebruiken in nietbiologische nanotechnologie toepassingen, zie Fig.3. Wat kunnen we in de toekomst verwachten van dit alles? De toekomstverwachtingen rond nanotechnologie zijn soms meer science fiction dan science. Een voorbeeld zijn de zogenaamde nanobots, kunstmatig gebouwde robotjes die zichzelf assembleren en reproduceren, en dan zieke cellen in het lichaam opsporen en doden. Ik ben op technische gronden pessimistisch over het perspectief om ooit zulke zichzelf reproducerende nanobots te maken. Op bescheidener schaal kunnen we echter zeker wel wat verwachten. Er wordt reeds heel actief gewerkt aan ‘drug delivery systems’, nietconventionele medicijnen die gebaseerd zijn op een device dat een werkzame stof op gecontroleerde wijze afgeeft. Het is zeker denkzaam dat we met een combinatie van biotechnologie en vaste-stof technologie, nanodevices maken die zieke cellen herkennen en specifiek aan deze cellen op gecontroleerde wijze een stof afgeven die de ziekte bestrijdt. Maar verwacht zo’n device toch niet binnen de komende tien, twintig jaar.
8
Met het verschijnen van de Hollywood film 'Prey' in 2004 zullen ook de mogelijke gevaren van nanotechnologie ter discussie komen te staan. In de film loopt het namelijk helemaal uit de hand met een wetenschapper die nanobots mengt met bacterieen en ze dan ook nog eens toerust met kunstmatige intelligentie. Het gevolg is een bijna-ramp die de mensheid kan wegvagen, hetgeen in de film vanzelfsprekend op het nippertje voorkomen wordt. Wat is de realiteitszin van dit sprookje? Naar mijn mening is deze vrijwel nihil. Zoals gezegd ben ik zeer sceptisch over ons vermogen om met nanotechnologie een kunstmatige nanobot te maken die zichzelf kan reproduceren. Dat staat eigenlijk gelijk aan het ontwerpen van een alternatieve biologie. Hoe meer we echter leren over de biologische cel, de kleinste eenheid die zichzelf kan reproduceren, hoe meer we onder de indruk komen van de complexiteit hiervan, en hoeveel te meer we beseffen hoe kinderlijk naïef de fantasieën zijn om dit na te bouwen in een robotje. Nanotechnologie an sich herbergt mijns inziens weinig gevaren die voorbijgaan aan de normale risico's die verbonden zijn aan het gebruik van nieuwe materialen (waar we al sinds jaar en dag mee leven). De koppeling van nanotechnologie aan levende systemen gaat hier wél aan voorbij. Dit is echter niet een op zichzelf staand punt maar onderdeel van de voortgaande discussie rond biotechnologie. Enerzijds liggen hier grote mogelijkheden die we verantwoord zouden moeten benutten, anderzijds bestaan er reële ethische bezwaren, bijvoorbeeld tegen de overspannen ideëen van een transhumanisme [13]. Ik kom bij het einde van mijn verhaal. Ik hoop dat ik kort iets heb kunnen laten proeven van de prille maar opwindende status van de bio-nano-science. Ik ben van plan de aan mij toegekende Spinoza middelen te gaan inzetten voor onderzoek op dit grensvlak van nanotechnologie en biologie. Door het meten aan de moleculaire machinerie van de mens verwacht ik dat we zeer interessante informatie zullen verwerven die op korte termijn zal leiden tot nieuwe inzichten over de werking van de bouwstenen van het leven, 9
en op langere termijn tot een bijdrage aan een groter welzijn van de mens. Tenslotte Vandaag neem ik de Spinoza premie 2003 in ontvangst waarvoor ik NWO heel hartelijk dank. Deze Spinoza premie is toegekend als erkenning van een mooi stuk wetenschappelijk werk waar een groot team van zeer getalenteerde studenten, promovendi, postdocs, en samenwerkende collega's hard aan hebben gewerkt. Deze erkenning is daarom ook een eerbewijs aan hen allen. Tot slot wil ook hen bedanken die mij buiten de wetenschap hebben gesteund in de afgelopen jaren: Mijn vrienden en familie, mijn gezin, en mijn Schepper.
10
Figuur 1: Koolstof nanobuisjes [3] Boven: Draadmodel van een koolstof nanobuis. Midden links: STM opname van een nanobuis. Midden rechts: Een koolstof nanobuis (blauw) opgespannen over twee platina electrodes (bruin) op SiO2 (groen). Onder links: Een nanobuis met een kinkjunctie. Onder rechts: Twee nanobuisjes die door 'duwen en trekken' met de tip van een AFM tastmicroscoop in de letters CD zijn gevormd.
11
Figuur 2: DNA nanotechnologie Boven: DNA van chromosoom tot de dubbele helix. Onder links: DNA in een niet-biologische context: een Seeman kubus gemaakt van DNA [6]. Onder rechts: Koolstof nanobuis gekoppeld aan DNA gesynthetiseerd in onze groep [5].
12
Figuur 3: Biomoleculaire motoren Boven links: Structuur van F0F1 ATPase, een biomoleculaire rotatiemotor met een doorsnede van circa 8 nm. Boven rechts: Yoshida et al hebben een fluorescent actine polymeer bevestigd aan het roterende gedeelte en zo de rotatie direkt waargenomen [11]. De middelste balk geeft een serie opeenvolgende microscoopopnames die de rotatie als functie van de tijd weergeeft. Daaronder: Een microtubule (oranje) die verbonden is met twee kinesin lineaire 13 motoren (blauw). Onder: Experimenteel resultaat uit onze groep waar microtubuli (oranje) zich voortbewegen door nanostructuren (licht groen)
Referenties 1. 2. 3. 4. 5. 6.
7.
8. 9. 10.
11. 12. 13.
14
Feynman’s rede is te vinden op http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html http://www.nobel.se/physics/laureates/1986/rohrer-lecture.pdf C. Dekker, Carbon nanotubes as molecular quantum wires, Physics Today 52 (5), p. 22, May 1999. Zie ook www.mb.tn.tudelft.nl. S. Iijima, Nature 354, 56 (1991). K. A. Williams, P. T. M. Veenhuizen, B. G. de la Torre, R. Eritja, and C. Dekker, Nature 420, 761 (2002) http://seemanlab4.chem.nyu.edu/homepage.html Zie elk willeurig standaard moleculair biochemie boek, bijvoorbeeld D. Voet and J. G. Voet, Biochemistry (Wiley, 1995); H. Lodish, A. Berk; S. L. Zipursky, P. Matsudaira, D. Baltimore and J. Darnell, Molecular cell biology (Freeman, 2000); B. Alberts, D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, and J. D. Watson, Molecular biology of the cell (Garland, 1994) S. B. Smith, Y. J. Cui, C. Bustamante, Science 271, 795 (1996 ) http://www.nobel.se/chemistry/laureates/1997/press.html H. Noji, R. Yasuda, M. Yoshida, and K. Kinosita jr, Nature, 386, 299 (1997); zie ook http://www.res.titech.ac.jp/seibutu/nature/f1rotate.html R. K. Soong et al, Science 290, 1555 (2000), en http://falcon.aben.cornell.edu M. van den Heuvel, R. Smeets, S. Diez, J. Howard, C. Dekker, nog te publiceren. http://www.bioethics.gov/reports/beyondtherapy/index.html , www.biotechpolicy.org
