Simon Stevin Gezel. Technologiestichting STW. Simon Stevin Prijzen. Nr. 10 Technologisch Toptalent oktober 2014

Technologiestichting STW

Simon Stevin Gezel Nr. 10 Technologisch Toptalent oktober 2014

Simon Stevin Prijzen

Nieuwe technologie mogelijk maken door waardering van talent

Inhoud

04

Voorwoord

28

Overige genomineerden

Eppo Bruins 30 06

Simon Stevin Gezel 2014

Met laserstralen elektronen op hol brengen dr.ir. Wouter Engelen

08

Finalisten Simon Stevin Gezel 2014

10

34

Een brug slaan tussen biologie en informatica dr. Marnix Medema

Ook zonnecellen moeten goed smeren dr. Wieteke de Boer

38

Spelen met licht dr.ir. Leonardo Midolo

16

De vertaalslag van klein naar groot

42

dr.ir. Ma’moun Al-Rawashdeh

De huid laat zien hoe wakker we zijn dr. Nico Romeijn

22

Proefdiervriendelijk stamcellen kweken dr. Peter Theunissen

3

Technologisch toptalent

46

Colofon

4


Onblusbaar nieuwsgierig

Wat maakt een wetenschapper succesvol? Intelligentie, focus en vasthoudend

heid. Maar wat te denken van nieuwsgierigheid? Een gedreven wetenschapper wil echt wéten hoe iets werkt en gaat ‘zijn nieuwsgierigheid achterna.’ Die onblusbare nieuwsgierigheid zien we terug bij de jonge STW-onderzoekers die we voor dit boekje hebben geïnterviewd. Een paar voorbeelden.

Een Italiaanse onderzoeker startte zijn carrière op de universiteit van Turijn,

werkte daarna bij CERN in Genève, en vervolgens bij Fiat in Turijn. Zijn kennis bracht hij mee naar Nederland om een zogeheten kwantumdot te gaan produceren – een ‘enkelefotonen-bron’, die gebruikt kan worden in een toekomstige kwantumcomputer.

Een chemicus van Jordaanse oorsprong kreeg aan de Technische Universiteit

in Eindhoven de beurs om zijn nieuwsgierigheid te volgen. Hij vond uit hoe het proces in een microreactor goedkoop en flexibel kan worden ‘opgenummerd’ om grotere hoeveelheden chemische stoffen te verwerken. Inmiddels werkt hij bij Albemarle, een Amsterdams bedrijf dat katalysatoren maakt.

Een middelbare scholier wilde bedrijfskunde studeren, maar switchte naar

biologie. Vervolgens studeerde hij filosofie en theologie in Tilburg. In een STW-project waar met bio-informatica nieuwe medicijnen werden ontwikkeld, vond hij een nieuwe uitdaging. Nu kun je met zijn software gewoon via Google de erfelijke informatie van een bacterie of schimmel uploaden en laten analyseren. Onderzoekers in de hele wereld gebruiken deze software.

Het zijn slechts drie verhalen van de zeven Technologische Toptalenten in

dit boekje. Doorzetters die over de wereld trekken om nieuwe kennis te creëren en toe te passen binnen uiteenlopende sectoren in de maatschappij. Zo komen ze breed georiënteerd uit hun onderzoek, klaar voor een mooie carrière. Dit zijn de jonge onderzoekers die in 2014 zijn genomineerd voor de eretitel Simon Stevin Gezel.

5

Eppo Bruins, directeur Technologiestichting STW


6



De Simon Stevin Gezelprijs wordt door Technologiestichting STW jaarlijks

uitgereikt aan ‘de beste promovendus op een STW-project’ van het voorgaande jaar. Het is een aanmoedigingsprijs van 5.000 euro, te besteden aan een activiteit ter bevordering van de (wetenschappelijke) loopbaan van de onderzoeker. Promovendi moeten zijn voorgedragen door hun projectleider, waarna bij STW een screening plaatsvindt op grond van publicaties/citaties en activiteiten op utilisatiegebied. De doorslag geeft uiteindelijk de manier waarop de kandidaten op de shortlist in staat zijn een lekenpubliek te informeren en te enthousiasmeren voor hun onderzoek.

De verkiezing van de Simon Stevin Gezel is een vast onderdeel van het

jaarcongres van STW. Uit de nominatie voor de wedstrijd selecteert een jury drie finalisten die zich tijdens het congres presenteren. In dit boekje vindt u interviews met de drie finalisten en de overige kandidaten die werden voorgedragen voor de competitie om de Simon Stevin Gezel-prijs 2014.

De drie finalisten zijn:

dr. Wieteke de Boer (Universiteit van Amsterdam) ‘Ook zonnecellen moeten goed smeren’ dr.ir. Ma’moun Al-Rawashdeh (Technische Universiteit Eindhoven) ‘De vertaalslag van klein naar groot’ dr. Peter Theunissen (Maastricht Universiteit) ‘Proefdiervriendelijk stamcellen kweken’

7


8


finalisten Simon Stevin Gezel 2014

dr. Wieteke de Boer dr.ir. Ma’moun Al-Rawashdeh dr. Peter Theunissen

9


10


Ook zonnecellen moeten goed smeren finalist Technologisch toptalent 2014 dr. Wieteke de Boer

Wieteke de Boer ontdekte hoe een laagje nanokristallen een zonnecel beter laat werken

Hoe goed zonnecellen ook zijn geworden in het omzetten van licht in elektriciteit, een groot deel van het zonlicht gaat verloren in die van siliciumkristal gemaakte panelen. Wieteke de Boer vond met behulp van siliciumnanokristallen een methode om zonnecellen efficiënter te laten werken.

11


Een van de redenen dat Wieteke de Boer (Wester-Koggenland, 1983) onderzoekster werd, denkt ze, is dat haar vader vroeger vaak probeerde zijn kinderen in de maling te nemen. ‘Je moest je dan telkens afvragen of zijn grapjes waarheid bevatten. En dat leert je om al op jonge leeftijd zelfstandig na te denken.’ Dat haar vader scheikundige was, zal ook geholpen hebben. In ieder geval zat het vragen naar het waarom van dingen er al heel vroeg in, en op de middelbare school in Alkmaar bleek het natuurkundelokaal daarvoor een perfecte omgeving. ‘Maar toen ik ging studeren, ben ik eerst begonnen met een bèta-gamma-propedeuse aan de Universiteit van Amsterdam. Ik had op zich namelijk wel een vrij brede interesse, dus ik dacht dat misschien een combinatie iets voor me was. Ik heb het vier dagen volgehouden, toen ben ik natuurkunde gaan doen.’ Dat bleek wel een heel ander vak dan ze van de middelbare school kende. ‘Daar moest je de goede formules bij de vraag vinden. Op de universiteit zoeken ze naar oplossingen voor vraagstukken waar niemand nog een oplossing voor heeft. Zo ben ik in de experimentele natuurkunde gerold. Het is heftig interessant: het zelf niet weten, net als de rest van de wereld, en dan proberen uit te zoeken.’ Gevarieerd onderzoek Toen het tijd werd om aan een masteronder zoek te denken, deed De Boer iets waar ze nog steeds blij mee is: ze benaderde een van de hoogleraren bij wie ze een vak had gedaan. ‘Ik vond hem een heel inspirerende man, ik vroeg hem of hij posities had voor masterstudenten, en die had hij. Ik heb toen heel gevarieerd onderzoek gedaan, en zo al veel fundamenten gelegd voor mijn PhD-onderzoek. En daardoor is dat ook heel goed gegaan.’

12


Dat onderzoek richtte zich op het verbeteren van een van de belangrijkste duurzame energiebronnen: zonnecellen. Hoe goed die ook zijn geworden in het omzetten van licht in elektriciteit, een groot deel van het zonlicht gaat verloren in die van siliciumkristal gemaakte panelen. De Boer: ‘Het verlies zit hem voornamelijk in de ultraviolet-fotonen. Die hebben heel veel energie, meer dan de typische hoeveelheid die nodig is om een elektron in een aangeslagen toestand te brengen.’ In die toestand kan het elektron bijdragen aan het vervoer van energie. De Boer: ‘De rest van de energie van het foton wordt omgezet in warmte, en een warme zonnecel, daar heb je niet zoveel aan.’ Maar de natuur biedt een uitweg uit dat probleem: soms ziet een UV-foton kans zijn energie af te staan aan twee of meer elektronen, waardoor veel meer energie ervan nuttig gebruikt wordt. Het probleem is daarbij wel dat dit gunstige effect in het silicium met zeer lage efficiëntie plaatsvindt én slechts van korte duur is: binnen de kortste keren staat een van beide elektronen zijn energie af aan het andere, waarbij het zelf terugvalt naar de grondtoestand en niet meer beschikbaar is voor elektriciteit. De Boer: ‘Ze eten als het ware elkaars energie op. Maar jaren geleden kwam er een theorie dat dit proces, het losmaken van meerdere elektronen per geabsorbeerd foton, vele malen efficiënter zou gaan binnen heel kleine kristallen, nanokristallen.’ Nanokristallen Daarop richtte zich het experimentele onderzoek, dat werd uitgevoerd door laserlicht te schijnen op de silicium nanokristallen, die maar een paar miljoenste millimeter groot zijn, van elkaar gescheiden door gewoon

glas. Uit het licht dat door de kristallen werd uitgezonden of geabsorbeerd, kon worden afgeleid wat er gebeurde met de elektronen in de kristallen. De Boer: ‘In het onderzoek werd gekozen voor siliciumkristallen, omdat het een stabiel materiaal is en de nanokristallen relatief eenvoudig gemaakt kunnen worden. En natuurlijk ook omdat de zonnecelindustrie voornamelijk met silicium werkt.’ In de nanokristallen gedroegen de elektronen zich anders dan in gewoon silicium. De onderzoekers hadden niet anders verwacht. De wetten van de kwantummechanica schrijven voor dat als je kleine elementaire deeltjes, zoals elektronen, opsluit in een hokje ter grootte van een paar honderd tot duizenden atomen, je hen ook beperkt in andere opzichten, bijvoorbeeld de energie die ze kunnen hebben. En dat heeft weer grote invloed op de processen die De Boer aan het onderzoeken

13


was: ‘Wat we waarnamen in de nanokristallen – en dat was ontzettend interessant en heel onverwacht – was dat bij het proces waarbij een UV-foton twee vrije elektronen creëerde, deze bij voorkeur niet in één en het hetzelfde nanokristal bleken te worden gecreëerd, maar in twee naast elkaar liggende nanokristallen. Meerdere elektronen in hetzelfde nanokristal kunnen, net als in bulk, elkaars energie ook opeten, dat gaat zelfs nog veel sneller, maar als ze in verschillende nanokristallen zitten, ‘zien’ ze elkaar niet, en blijven ze allebei ‘leven’. Daardoor is dit een enorm voordelige variant van dit proces, in vergelijking met dat in bulk. We hebben gevonden dat er zelfs tot wel drie elektronen tegelijk per geabsorbeerd UV-foton kunnen worden gecreëerd.’ Vertraagde reactie ‘In eerste instantie snapten we niet helemaal waarom die elektronen dat zo zouden doen.

Het is heftig interessant: iets zelf niet weten, en dan proberen het uit te zoeken 14


Bij andere materialen dan silicium zie je dit niet. Dat heb ik op allerlei manieren onderzocht. En een van de belangrijke oorzaken voor het verschijnsel is: het proces waarbij een door een UV-foton aangeslagen elektron in een nanokristal zijn extra energie kwijtraakt in de vorm van warmte, blijkt in deze nanokristallen relatief traag te gaan. Dat proces gaat in bulk silicium ontzettend snel, in femtoseconden, een biljardste seconde. We hebben gevonden dat het in nanokristallen met wel een factor duizend vertraagd kan zijn. Dat is een heel belangrijke bevinding voor het fundamentele begrip. Daardoor wordt namelijk de kans dat er energie wordt overgedragen op een ander elektron veel groter. En speciaal in het geval van silicium gebeurt dit dus in naastgelegen nanokristallen.’ In theorie zou je een materiaal dat uit nanokristallen bestaat, kunnen inzetten als een betere producent van elektriciteit uit zonlicht. Maar de groep waarin De Boer haar onderzoek deed, de opto-elektronische groep van professor Tom Gregorkiewicz, mikt in plaats daarvan op het benutten van deze nanokristallen als een kleuromzetter. De Boer: ‘Silicium nanokristallen zenden zelf licht uit als aangeslagen elektronen weer terugvallen naar hun grondtoestand, met een kleur die afhankelijk is van hun grootte – en dat zijn precies de kleuren die door een normale siliciumzonnecel weer worden omgezet in elektriciteit. Ons ideaal is: breng een laag met nanokristallen aan op een bestaande zonnecel; je smeert het erop en zonder veel kosten en technische complicaties heb je een zonnecel tot wel vijf tot tien procent efficiënter gemaakt.’ Maar dat is alleen nog maar het plan, voorlopig is de groep bezig te onderzoeken welke afmetingen en dichtheid van de

15


nanokristallen het beste zijn. En De Boer doet daar momenteel alleen nog op afstand aan mee. Ze is inmiddels aangenomen bij de onderzoeksgroep van professor Rafael Yuste aan de Columbia University in New York. Daar gaat ze helpen, nanodeeltjes praktisch toe passen bij het onderzoek op neurologisch gebied. ‘Dat is een onontgonnen gebied, ik ga mee met die race. Neuronen functioneren op zo’n kleine schaal, het is voor mij een heel natuurlijke keuze. Ik ben helemaal enthousiast.’

16


De vertaalslag van klein naar groot finalist Technologisch toptalent 2014 dr.ir. Ma’moun Al-Rawashdeh

Hoe het proces in een microreactor goedkoop en flexibel kan worden opgenummerd

De kracht van microreactoren is tegelijkertijd hun zwakte. Dat ze klein zijn, maakt dat je chemische stoffen bij elkaar kunt brengen in kleine hoeveelheden in ruimten van maar een paar kubieke millimeter. Zo kun je heel precies sturen welke reacties er plaatsvinden. Maar wil je dat proces in de praktijk nuttig gebruiken, dan moeten er op een of andere manier grotere hoeveelheden worden verwerkt. Ma’moun Al-Rawashdeh onderzocht hoe dat kan.

17


Na twee jaar werken in het bedrijfsleven in zijn geboorteland Jordanië had Ma’moun Al-Rawashdeh (Irbid, Jordanië, 1981) daar al genoeg van. ‘Ik had mijn bachelor gehaald in chemical engineering en ik wilde ervaring opdoen in de industrie, weten hoe het er daar aan toegaat. Ik heb eerst in de marketing gewerkt, en daarna op een raffinaderij. Maar na twee jaar merkte ik dat ik graag betrokken wilde zijn bij onderzoek. Ik had daar veel verantwoordelijkheid, maar alles moest gewoon blijven lopen zoals het hoorde, en als dat niet zo was, ging je het oplossen. Er was niet echt een moeilijk probleem waar je de hele tijd over kon lopen nadenken.’ Dus wilde hij naar het buitenland om een master te halen. ‘Ik zag een advertentie van Nuffic over studeren in Nederland, gaf me op voor de Technische Universiteit Eindhoven en daar werd ik ook geaccepteerd, met een beurs. De beurs hielp bij veel zaken: ik wist weinig over Nederland, maar nu hoefde ik er niet heel veel na te denken, ik kon gewoon gaan, mijn nieuwsgierigheid achterna.’ Al tijdens zijn master kwam hij via een hoogleraar in aanraking met het onderwerp waar hij in Eindhoven ook zijn promotie onderzoek over zou doen: een microreactor. ‘Volker Hessel was toen nog parttime hoog leraar, hij werkte ook nog aan het Institut für Mikrotechnik in Mainz. Daar ben ik negen maanden heen geweest om over die techniek te leren. Dat leidde tot meerdere publicaties.’ ‘Daarna kwam er een promotieplaats vrij en die vond ik erg interessant, het was een fijne constructie waar ook gebruikers uit de industrie bij betrokken waren: DSM, ECN, Friesland Campina, Akzo Nobel, Micronit en daarnaast dus STW. Ik vind het belangrijk om dingen te doen die een duidelijke toepassing hebben. Ik bleef ook graag in Nederland, ik vind dat er hier een goede infrastructuur is

18


voor wetenschappelijk onderzoek, en ook de arbeidsomstandigheden zijn goed, er is evenwicht tussen privé en werk.’ Klein als probleem Al-Rawashdehs onderzoek richtte zich op het centrale probleem op het gebied van microreactoren: ze zijn per definitie klein, en dat is zowel hun bestaansreden als hun grote nadeel. Door chemische stoffen bij elkaar te brengen in kleine hoeveelheden, ruimten van maar een paar kubieke millimeter, kun je heel precies sturen welke reacties er plaats vinden. En mocht er iets misgaan, dan kun je met die kleine hoeveelheden ook geen grote vervuiling of explosies krijgen. Maar wil je dat in de praktijk nuttig gebruiken, dan moeten er op een of andere manier grotere hoeveelheden worden verwerkt. De voor de hand liggende reactie is opschalen, werken met grotere reactievaten. Maar vaak lukt het niet om daarin het proces net zo te laten plaatsvinden, en je raakt de voordelen van de kleinschaligheid weer kwijt. Het alternatief is opnummeren, het in grote aantallen parallel schakelen van microreactoren. Ook dan kom je technische problemen tegen; met een daarvan, het netjes verdelen van de reagentia over al die reactoren, hield Al-Rawashdeh zich bezig. Zijn oplossing zou bovendien het extra moeilijke geval aan moeten kunnen van het reageren van een gas met een vloeistof. ‘Ik heb eerst een literatuurstudie gedaan, een klein half jaar heb ik gekeken wat er al gedaan was. Een van de oplossingen die veelbelovend leek, kwam van MIT: toevoerkanalen met een hindernis erin. Ze hadden maar één demonstratieproject gedaan en het daarna laten zitten, maar het leek te werken, je kon daarmee echt grotere hoeveelheden verwerken, grammen per dag.’

‘Het idee van zo’n kanaal is dat je elke fase gas en vloeistof apart door een leiding laat stromen, en die twee leidingen splitst in net zoveel uitgangen als er reactoren zijn. In elk van die uitgangen stroomt de stof langs een barrière, die levert weerstand op en zorgt ervoor dat er altijd een constante hoeveelheid uitkomt. Daarna komen de beide fasen in een mixer en komen ze in het reactiekanaal.’ De oplossing van MIT werd gekenmerkt door een sterke barrière, met als gevolg een groot drukverschil tussen ervoor en erachter. ‘Dat leek niet nodig. Dat kost energie, en je moet ook het materiaal van de leidingen veel steviger maken, waardoor alles duurder wordt. En het beperkte ook welke stroomsnelheden je kon krijgen in de reactieruimte.’ Goedkoop en flexibel Een tweede belangrijk onderdeel van het project was, de verschillende onderdelen

19


van de microreactor zo te ontwerpen dat ze goedkoop te fabriceren zouden zijn en flexibel met elkaar te combineren. Al-Rawashdeh: ‘Als je echt met grote volumes wilt gaan werken, heb je grotere aantallen leidingen nodig, en als die volgens heel nauwkeurige specificaties gemaakt moeten worden, dan wordt dat heel duur. We hebben de reactor dus in delen gesplitst met elk hun eigen materiaal en hun eigen tolerantie-eisen. Daardoor zijn de kosten flink omlaag gegaan. En we hebben een handige architectuur gevonden om de distributeur op allerlei verschillende reactoren te kunnen zetten.’ Als sluitstuk werd een demonstratiereactie uitgevoerd in een aantal op die manier gecombineerde reactoren, een hardings proces waarbij de stof fenylacetyleen werd gehydrogeneerd, omgezet in styreen and ethylbenzeen met behulp van een katalysator. ‘We namen monsters uit alle kanalen en keken

Ik vind het belangrijk om dingen te doen die een duidelijke toepassing hebben 20


hoe de conversie verliep, en de verschillen in de toegevoerde hoeveelheden waren nergens meer dan tien procent. Dus daarmee was het concept gevalideerd.’ Al-Rawashdeh is nog steeds enigszins betrokken bij het project. ‘Inmiddels zijn toevoerleidingen gemaakt van verschillende materialen, zoals glas en staal, telkens verbonden aan dezelfde verdeler. Daarna kwam er geld beschikbaar om een verdeler te maken met een capaciteit van een liter per minuut, dus tot wel twee ton per dag. Die heeft tweeëndertig toevoerkanalen, en tweeëndertig reactoren in vier lagen, met warmtewisselaars ertussen. Die zijn ze nu aan het testen.’ Zelf werkt hij inmiddels bij een bedrijf in

21


Amsterdam, Albermarle, dat katalysatoren maakt. Ook daar is hij bezig met het opschalen van productieprocessen, maar niet met behulp van de Eindhovense microreactor. Die is nog niet op de markt, maar daar lijkt het wel van te komen: ‘Ze zijn bezig er een patent op te nemen, vooral die laatste variant, van een liter per minuut, want over de eerdere, uit mijn proefschrift, hebben we immers gepubliceerd. Het patent zal van de universiteit zijn, maar omdat ik degene ben die het ontwikkeld heeft, is het voor mij natuurlijk gemakkelijker om uit te leggen wat je ermee kunt doen. Dus ik ben erbij betrokken in de exploratiefase, kijk wat voor potentieel het heeft door te praten met mogelijke gebruikers uit de industrie.’

22


Proefdiervriendelijk stamcellen kweken finalist Technologisch toptalent 2014 dr. Peter Theunissen

Toxicoloog Peter Theunissen ontwikkelde een snellere, efficiëntere stamceltest

Peter Theunissen ontwikkelde nieuwe embryonale in vitro-tests waarmee mogelijke schadelijkheid van chemische stoffen voor de embryonale ontwikkeling vast te stellen is. Die tests kunnen het proefdiergebruik mogelijk reduceren.

23


Tijdens zijn studie biomedische weten schappen aan de Radboud Universiteit Nijmegen ontdekte Peter T. Theunissen (Nijmegen, 1983) de toxicologie. ‘Toxicologie sprak mij het meeste aan, omdat in dit vakgebied de biologie van het menselijk lichaam centraal staat, maar ook hoe stoffen op deze biologische systemen inwerken.’ Gedurende zijn stageperiode deed hij op drie plaatsen expertise op die voor zijn proefschrift essentieel zouden blijken te zijn: allereerst in de neurofarmacologie en celfysiologie (UMC St.Radboud in Nijmegen), daarna in de reproductie en embryonale toxicologie (TNO in Zeist) en tot slot in het ontwikkelen van in vitro-methoden voor het screenen van schadelijkheid van stoffen (Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (RIVM) in Bilthoven). Het ontwikkelen van alternatieven voor dierproeven stond bij alle drie deze stages centraal. Na deze stages werd Theunissen aangesteld bij het RIVM, op een STW-project in een samenwerking met de Universiteit Maastricht, om een nieuwe embryonale stamceltest te ontwikkelen. In zulke testen wordt gekeken naar de verstoring door chemische stoffen van de vorming van gedifferentieerde cellen, zoals hartspiercellen en zenuwcellen, uit stamcellen. Dergelijke in vitro-tests kunnen als eerste screeningstest gebruikt worden voor het vaststellen van mogelijke schadelijkheid van stoffen voor de embryonale ontwikkeling. Daarmee kunnen ze het proef diergebruik mogelijk reduceren, dat in de ontwikkelingstoxicologie relatief hoog is. Tijdrovende methoden Met de bestaande stamceltest was het al mogelijk om te bepalen of stoffen de groei van stamcellen naar hartspierscellen verstoren. Maar effecten van stoffen op het

24


ontwikkelende zenuwstelsel werden daar mee niet goed voorspeld. Er waren inmiddels enkele methoden beschikbaar om zenuwcellen te ontwikkelen, uitgaande van embryonale stamcellen. Deze methoden waren behalve tijdrovend ook gecompliceerd en niet bruikbaar als simpel testsysteem voor de schadelijkheid van stoffen. Theunissen ging in het laborato rium aan de slag om een snellere en efficiënte kweekmethode te ontwikkelen die toepasbaar zou zijn als testsysteem. Het opzetten van een bruikbare experimen tele opstelling nam ruim twee jaar in beslag. Er zijn meerdere essentiële onderdelen in een goed testsysteem met stamcellen. Zo moeten er continu celkweken van embryonale stam cellen worden aangehouden. Op gezette tijden moeten de celkweken op een vers voedingsmedium worden overgezet. Daarbij wordt door het meten van de activiteit van bepaalde genen vastgesteld of de stamcellen inderdaad nog steeds ongedifferentieerd zijn. Vervolgens worden met deze stamcellen zogenoemde differentiatiekweken opgezet, onder andere door het voedingsmedium van de cellen te veranderen. Zo differentiëren de stamcellen naar zenuwcellen. Een onmisbare stap daarbij is het aggregeren van stamcellen in zoheten embryoid bodies, celklompjes die lijken op heel jonge embryo’s. Theunissen: ‘Ik stond dagenlang in het lab om alle stappen systematisch te leren. Zo duurde het bijvoorbeeld meerdere weken voordat ik wist hoe je het beste een aggregatie van stamcellen krijgt die de karaktereigen schappen heeft van een embryo in een zeer vroeg stadium. Je moet daarvoor stamcellen op een bepaalde manier laten aggregeren, zodat het embryoid bodies worden, die in een geschikt kweekmedium kunnen worden geplaatst. Dan groeien er – in een soort krans – zenuwcellen uit. De vorm en groei

van dit zenuwcelnetwerk veranderen in de tijd onder invloed van giftige stoffen, en dit kan als maat gebruikt worden voor neurale ontwikkelingstoxiciteit. Er moest een manier worden gevonden om de embryoid bodies vanuit de groeifase over te plaatsen naar een medium zonder serum, waarin de zenuwcellen het beste uitgroeien. Die stap was veruit het moeilijkst. Ik moest eerst uitzoeken welke manier geschikt zou zijn om de cellen los te weken van het medium, zonder ze te beschadigen. Daarna moeten de embryoid bodies teruggeplaatst worden in een ander schaaltje met een coating die de groei van zenuwcellen stimuleert. Daarbij kunnen ze beschadigen. Om dat systeem goed in de vingers te krijgen, heb ik een aantal maanden moeten oefenen.’ Veranderingen in mRNA Naast de optische veranderingen in de uit

25


groei van de zenuwcellen rondom embryoid bodies onder invloed van schadelijke stoffen, is het ook mogelijk op het niveau van de genen te kijken naar schadelijke effecten. Dat biedt de mogelijkheid om subtielere effecten op de differentiatie van stamcel naar zenuwcel vast te stellen, en het mechanisme op te helderen dat de schadelijkheid veroorzaakt. Daarvoor is het nodig om naar veranderingen te kijken in het mRNA, moleculen die een rol spelen bij het toepassen van erfelijke informatie, iets wat uiteindelijk bepaalt hoe een cel zal differentiëren. Theunissen: ‘Op dag drie, vier en vijf van de test neem je daarvoor een celmonster, en dan laat je dat op zo’n twintig duizend genen scannen. Die scans kostten per stuk zo’n achthonderd euro, en voor ieder experiment waren zo’n tachtig tot honderdtwintig scans nodig, dus dat liep flink in de papieren. Ik ben

Het liefst werk ik op het snijvlak biologie, industrie en regelgevende instanties 26


ontzettend blij dat we hiervoor voldoende budget van STW hebben gekregen.’ In de neurale stamceltest veranderen de stamcellen voortdurend, ze ontwikkelen zich langzaam in verschillende tussenstappen van stamcellen tot zenuwcellen. Hierdoor verandert ook de genexpressie over de tijd. Daarom moest eerst het verloop van de normale genexpressie worden gekarakteriseerd in het model zelf, zonder blootstelling van stoffen. Daarna werd er systematisch gekeken hoe deze ontwikkeling onder invloed van diverse bekende giftige stoffen veranderde. Theunissen ontdekte dat, als er gekeken werd naar de invloed van bepaalde stoffen op een select groepje van zo’n dertig genen, er een uitstekend beeld over de toxiciteit ervan ontstaat. De uiteindelijk door hem ontwikkelde gentest kijkt zelfs naar de verandering van slechts vier genen, die al goed uitsluitsel geven over de toxiciteit. Daarmee kon met een nauwkeurigheid van zo’n vijfentachtig procent worden voorspeld of er een bepaalde afwijking van het normale ontwikkelingspatroon zou ontstaan. De nieuwe methode leverde Theunissen twee wereldwijde patenten op. Minder dierproeven Inmiddels werkt Theunissen op een inter nationaal project waarbij het RIVM, de Hogeschool Utrecht en het College ter Beoor deling van Geneesmiddelen in samenwerking met de wereldwijde farmaceutische industrie en Europese en Amerikaanse overheden onderzoeken of het aantal dier proeven voor ontwikkelingstoxicologie van geneesmiddelen verminderd kan worden. Theunissen: ‘Het liefst werk ik op het snijvlak tussen de biologie, industrie en de regelgevende instanties. Dit vergroot de kans dat toegepast onderzoek voor

27


het ontwikkelen van alternatieven voor dierproeven geaccepteerd wordt. Ik hoop dat met behulp van tests zoals de (neurale) embryonale stamceltest te zijner tijd veel van de proefdiertesten niet meer nodig zijn. Een groot voordeel van dit soort in vitro-tests is dat ook naar het mechanisme van toxiciteit van een stof gekeken kan worden. Dit is bij proefdiertests heel wat lastiger. Wanneer je in vitro-tests voor ontwikkelingstoxicologie als eerste screeningstest zou gebruiken, kun je overwegen of je in situaties waarbij nu nog testen met meerdere diersoorten wettelijk zijn voorgeschreven, nog maar met één diersoort kunt volstaan. Alleen al in Europa zou je duizenden proefdieren per jaar minder nodig hebben.’

28


Overige genomineerden

dr.ir. Wouter Engelen dr. Marnix Medema dr.ir. Leonardo Midolo dr. Nico Romeijn

29


Kandidaat Technologisch toptalent 2014 dr.ir. Wouter Engelen

Met laserstralen elektronen op hol brengen

Wouter Engelen stuurde ultracompacte kluitjes op te onderzoeken materialen af

‘Op deze schaal staan we aan het begin, er zijn nog amper experimentele resultaten van’

30


Het beschieten van onderzoeksobjecten met pulsjes van elektronen om te zien hoe ze in elkaar zitten en wat voor processen zich erin afspelen, is een veelgebruikte onderzoeks methode in de fysica. Hoe compacter die pulsjes zijn, hoe bruikbaarder voor het onderzoek. Dat compacter maken was de opdracht van Wouter Engelen. Dat Wouter Engelen (Veghel, 1985) iets met techniek zou gaan doen, was altijd duidelijk. ‘Van kind af aan wilde ik weten hoe de wereld in elkaar zat. Ik was altijd dingen aan het onderzoeken en openschroeven. En op school was ik goed in exacte wetenschappen. Natuurkunde vond ik het leukst, dus dat ging ik studeren. Maar ik vond het wel altijd belangrijk dat het toegepast kon worden, vandaar dat het technische natuurkunde is geworden, aan de Technische Universiteit Einhoven, zowel mijn bachelor als mijn master.’ ‘Na mijn master heb ik er wel over nagedacht of ik het bedrijfsleven in zou gaan, of een promotie-onderzoek zou gaan doen, en wat dan wel. Dit project trok me aan, het had een duidelijk doel en toepassing.’ Veel promovendi doen hun onderzoek op een gebied waar ze zich tijdens hun masterproject al behoorlijk in hebben verdiept. Engelen had die vliegende start niet. ‘Het compacter maken van pulsjes was een nieuw onderwerp voor mij, maar dat vond ik niet zo’n probleem. Ik heb de eerste maanden moeten besteden aan inwerken, dat is alles. En daarna is het onderzoek in vergelijking met andere mensen wel redelijk soepeltjes gegaan. Je worstelt natuurlijk weleens met componenten die niet doen wat je wilt, of experimenten die niet lukken, maar heel grote tegenslagen waren er niet.’

31


Diffractiepatroon Toen Engelen met zijn onderzoek begon, stond er al een experimentele opstelling die een te onderzoeken materiaal gedurende korte tijd, een nanoseconde oftewel een miljardste seconde, kon beschieten met elektronen. Beschijnen is haast nog een beter woord, want de opstelling maakt gebruik van het feit dat heel kleine deeltjes ook beschouwd kunnen worden als straling met een heel korte golflengte. Doordat de golflengte van elektronen een stuk korter is dan de structuur van het te onderzoeken materiaal (atomen en moleculen) werpt de elektronenbundel geen strakke schaduw achter het te onderzoeken materiaal, maar zie je daar een regelmatig patroon van stippen of ringen, het diffractiepatroon. Uit dit patroon kun je de structuur van het materiaal achterhalen. Die miljardste seconde was te lang, dat was het probleem. Engelen: ‘Allerlei processen die we zouden willen waarnemen in materialen hebben een kortere tijdschaal, en dan zie je dus alleen heel wazig wat er gebeurt. Als je pulsen kunt maken van een picoseconde, duizend keer korter, dan kom je bij tijdschalen waarop in een metaal processen plaatsvinden die met magnetisme te maken hebben, en supergeleiding.’ Elektronenbundels maak je met laserlicht: je beschijnt heel even een materiaal waaruit licht gemakkelijk elektronen kan losslaan. Als op die plek ook een elektrisch veld heerst, worden de elektronen daardoor aangeduwd, steeds sneller, en heb je het gewenste resultaat: een klein treintje elektronen dat op het doel afsnelt. Voor een kort treintje heb je dus een korte laserpuls nodig. En op het lab in Eindhoven stond een apparaat dat aan de eisen leek te voldoen: dat kon zelfs pulsen maken

van honderd femtoseconden, dat is maar een tiende picoseconde. Maar de simpele oplossing om die laser dan te gebruiken, leek te stuiten op een fundamenteel probleem. Engelen: ‘Die laser had de verkeerde golflengte. We moesten licht hebben van precies de goede kleur, om een hoge kwaliteit van de elektronenbundel te bereiken.’ Door precies de goede kleur licht te nemen, legt hij uit, ga je zo zuinig mogelijk om met de energie ervan. Elk elektron krijgt dan een duwtje dat precies genoeg is om het los te maken van het materiaal, en daarna door het elektrische veld op gang gebracht te kunnen worden. Duw je harder, met licht van blauwere kleur, dan krijgt het elektron al een snelheid van zichzelf, en vermoedelijk niet in de goede richting. Het gevolg is dat het treintje elektronen al terwijl het uit het apparaat komt bezig is breder en ook een beetje langer te worden, terwijl je het juist kort en smal wilde hebben. Elektronentreintje Het kleurprobleem leek wel en niet oplosbaar. Oplosbaar, omdat het mogelijk is om met behulp van een apparaat waar een speciaal soort kristal in zit de golflengte van laserlicht te veranderen. En zo’n apparaat werd dus in stelling gebracht. Maar een niet oplosbaar probleem leek van veel fundamentelere aard: de wetten van de kwantummechanica zeggen dat je van een natuurkundig verschijnsel niet alle eigenschappen even precies mag instellen. In dit geval: als je wilt dat een lichtpuls ultrakort duurt, gaat vanzelf de precisie van de golflengte achteruit. De verwachting was daardoor, dat er toch te energierijk licht op de elektronenbron zou vallen en het elektronentreintje dat werd afgeschoten met zo’n mooie korte puls van

32


honderd femtoseconden daardoor toch weer te breed zou worden. Maar dat bleek dik mee te vallen. Engelen: ‘Daar hebben we lang over nagedacht, en het nog een keer gemeten: maar die onverwacht goede kwaliteit kwam er echt uit. Toen heb ik een natuurkundig model gemaakt van hoe het proces van ioniseren en versnellen precies werkt. En met dat model kon ik verklaren waarom de kwaliteit toch beter was. Het komt erop neer dat een elektron dat vrijkomt, beweegt in een combinatie van het elektrische veld waarmee we het willen versnellen, en het veld van het atoom waar het vandaankomt. Die combinatie heeft een soort trechtervorm, waardoor een elektron dat begint met een snelheid in zijwaartse richting toch wordt afgebogen in de richting die je al wilde.’ Geen cadeautjes meer In dit geval hielp de natuur dus een handje om dat storende onzekerheidsprincipe te compenseren. Het ligt niet in de verwachting dat er nog meer van die cadeautjes zullen worden uitgedeeld. Engelen: ‘Het heeft dus waarschijnlijk niet veel zin, de puls nog korter te maken. En voor de processen die je wilt onderzoeken, hoeft het ook niet. Op deze schaal staan we nog maar aan het begin, daar zijn nog bijna geen experimentele resultaten van.’ ‘Wat we er nu mee willen doen is pumpprobe-onderzoek. Daarbij stuur je eerste een puls laserlicht naar het object, dat daardoor een verandering ondergaat. Korte tijd later komt de elektronenpuls aan en daarmee kun je zien wat er gebeurd is. Door de laserpuls telkens opnieuw af te schieten, en daarbij de elektronenpuls telkens iets later te laten komen, kun je in de tijd volgen wat er in het materiaal gebeurt.’

Maar dat gaan anderen doen. Zelf werkt Engelen nu bij ASML, de Nederlandse fabrikant van installaties waarmee computerchips worden gemaakt. ‘Ik werk op de onderzoeksafdeling, dus ik ben nog steeds veel artikelen aan het lezen, en sta met universiteiten in contact. Niet meer helemaal vooraan bij de ontwikkelingen, zoals een promovendus, maar nog wel dichtbij, plus met een fantastisch mooie toepassing. Maar ik denk niet dat ik daar veel over mag vertellen.’

33


Kandidaat Technologisch toptalent 2014 dr. Marnix Medema

Een brug slaan tussen biologie en informatica

Marnix Medema ontwikkelt met synthetische biologie nieuwe medicijnen

‘Ik wil beter begrijpen hoe we complexe moleculen kunnen inzetten voor de maatschappij’ 34


Simpelweg via de browser de gehele erfelijke informatie van een bacterie of schimmel uploaden en laten analyseren. Dat is de praktische uitkomst van het onderzoek van bio-informaticus Marnix Medema. Inmiddels gebruiken onderzoekers van over de hele wereld de door hem ontwikkelde software bij het ontwikkelen van nieuwe medicijnen. Op de middelbare school was Marnix Medema (Epe, 1986) niet van plan om biologie of een andere bètawetenschap te gaan studeren. Hij had zich zelfs al ingeschreven voor een studie bedrijfswetenschappen. Maar in de eindexamentijd moest hij een werkstuk schrijven voor het vak biologie. ‘Ik schreef een paper over de evolutie van biologische systemen en raakte helemaal gefascineerd door de complexiteit van het leven. Ik meldde me meteen aan voor een studie biologie in Nijmegen.’ Na een cum laude bachelor werd hij uit verkoren voor het ‘Topmaster programme’ in de biomoleculaire wetenschappen aan de Rijksuniversiteit Groningen. Zijn master haalde hij ook cum laude, en daarna deed hij iets ongebruikelijks: hij ging een jaar lang filosofie en theologie studeren aan de Universiteit van Tilburg, met een beurs van de Radboudstichting. ‘Ik wilde me bezinnen op de plek van wetenschap in de wereld. Ik vind het belangrijk dat je als wetenschapper met beide benen in de maatschappij staat en je kennis kunt contextualiseren.’ Schimmels manipuleren Als topmasterstudent had Medema een onderzoeksvoorstel geschreven voor een promotieonderwerp in de moleculaire genetica. Het was destijds opgestuurd naar NWO, maar zonder resultaat. Toch vond de begeleidend hoogleraar het een dermate interessant

35


onderwerp dat hij geld beschikbaar maakte om het alsnog uit te voeren. Op datzelfde moment kwam er echter ook een andere vacature vrij in Groningen voor een STW-project. Dit project had tot doel om met behulp van bioinformatica betere strategieën te vinden om door middel van synthetische biologie nieuwe medicijnen te ontwikkelen. Het plan sprak Medema zo aan dat hij zijn eigen voorstel overboord gooide en dit STW-project met beide handen aanpakte. Er zijn al veel medicijnen die afkomstig zijn van bacteriën, schimmels en planten. Deze zijn ontwikkeld uit de vele complexe moleculen die deze levensvormen afscheiden: de zogenoemde secundaire metabolieten. Ze worden secundair genoemd, omdat ze in hun natuurlijke omgeving allerlei functies van een levensvorm uitvoeren die niet absoluut nodig zijn voor het overleven, zoals communicatie, aanval en verdediging en de ondersteuning van voedselopname. In het laboratorium kunnen bacteriën en schimmels genetisch gemodificeerd worden, zodat ze de secundaire metabolieten gaan produceren, iets wat ze normaal alleen onder heel specifieke omstandigheden doen. Hoewel er vervolgens goede methoden beschikbaar zijn om deze metabolieten verder te karakteriseren, is het gehele proces erg tijdrovend. Het identificeren van een nieuw molecuul en de genen die bij de aanmaak daarvan betrokken zijn, kan al snel een heel promotieonderzoek in beslag nemen. Patroonherkenning Medema: ‘Om die reden wilde ik een computer model ontwikkelen waarmee we uit de erfelijke informatie van duizenden levens vormen tegelijk kunnen zoeken naar de meest veelbelovende secundaire metabolieten die moleculen met een bepaalde medische werking zouden kunnen genereren.’

De clou hierbij is dat de genen die coderen voor de biochemische route om een bepaald molecuul te maken vaak dicht bij elkaar liggen op het DNA: ze vormen zogeheten ‘genclusters’. Medema was zijn promotie onderzoek begonnen met het analyseren van zulke genclusters in een bacteriestam, waarvan hij aantoonde dat die veelbelovende eigenschappen had. Tijdens dit werk was hij er echter achtergekomen dat hij zijn analysemethoden moest automatiseren om ze ook op grote schaal te kunnen toepassen. Zo begon hij aan het schrijven van een computerprogramma, dat rechtstreeks het DNA afleest om genclusters te detecteren. In die software staat patroonherkenning centraal van de vier verschillende nucleotiden van het DNA (Adenine, Thymine, Guanine en Cytosine) ) worden afgekort met respectievelijk de letters A, T, G en C. Door middel van patroonherkenning kunnen we in die reeksen met letters de genclusters vinden die karakteristiek zijn voor bepaalde opeenvolgingen van biochemische omzettingen. Deze ‘biosynthetische routes’ zijn het aangrijpingspunt om nieuwe moleculen te kunnen ontwikkelen, die bij het maken van een nieuw medicament nodig zijn. DNA-patronen vergelijken Voor het ontdekken van de biosynthetische routes gebruikte Medema onder andere een veelgebruikt algoritme uit de bio-informatica de Basic Local Alignment Search Tool (BLAST). Daarin worden twee reeksen met DNA-patronen met elkaar vergeleken. Maar het algoritme kan het niet alleen af. Medema: ‘Je moet veel van de onderliggende biologie begrijpen. Mensen met alleen een informatica-achtergrond zien vaak niet welke van de tienduizenden genclusters die op elkaar lijken, relevant zijn. Het is dus

36


essentieel om de verbinding te maken tussen wat er in de informatica mogelijk is, en wat de biologische vraagstukken zijn.’ Het computerprogramma legt de regels voor het herkennen van biologisch zinvolle patronen vast. Het algoritme kan een vrijwel compleet beeld geven van alle secundaire metabolieten die een bacterie of schimmel lijkt te kunnen produceren op grond van zijn DNA. Voor sommige metabolieten kan de software, gebasseerd op voorspellingen van de functies van de enzymen die het lijken te bouwen, zelfs al een voorspelling doen van hoe de chemische structuur van het molecuul eruitziet. Met hulp van een informaticus aan de universiteit van Tübingen werd de software geschikt gemaakt om op een webserver te draaien. Wetenschappers kunnen simpelweg via de browser de gehele erfelijke informatie van een bacterie of schimmel uploaden en laten analyseren. Medema: ‘Dit is een van de dingen waar ik het meest trots op ben. Het is überhaupt de eerste keer dat er is geprobeerd de juiste genclusters vinden en te automatiseren. Inmiddels gebruiken onderzoekers over de hele wereld de software zoveel, dat we de servers waar het op draait al moesten vervangen. Ook grote bedrijven maken er gebruik van.’ Bacteriestam in kaart Als onderdeel van zijn onderzoek ging Medema vijf maanden naar de universiteit van Californië in San Francisco. Daar begon hij een project waarin hij genclusters voor secundaire metabolieten in kaart bracht voor alle bacteriën waar de volledige erfelijke informatie van bekend was. Die gegevens zijn de afgelopen vijftien tot twintig jaar door talloze onderzoekers ingelezen, en vrij beschikbaar gesteld op internet. Met de methodes die hij in samenwerking

met de Californische groep ontwikkelde, wist Medema duizenden verschillende bacteriestammen letterlijk in kaart te brengen. De resulterende netwerk diagrammen vormen een soort landkaarten waarin in één oogopslag zichtbaar wordt welke stammen de interessantste stofjes kunnen maken. Medema: ‘Op deze manier konden wij in feite het biosynthetisch universum vanuit een vogelvluchtperspectief bekijken, en daarmee open je de weg naar eindeloos veel nieuwe mogelijkheden.’ De resultaten van het onderzoek zijn in het gerenommeerde tijdschrift Cell gepubliceerd. Om de analyses af te ronden en het artikel te schrijven, waren twee jaar lang wekelijkse Skype-gesprekken nodig met de collega’s in San Francisco. Inmiddels is Medema postdoc aan het Max Planck Instituut voor Marine Microbiologie in Bremen, met een beurs van NWO. Hij is nu

37


bezig met het opzetten van een database voor biosynthetische genclusters waarin genetische, chemische en ecologische informatie met elkaar geïntegreerd wordt. ‘Ik wil ook experimentele informatie opnemen die door biochemici wereldwijd wordt verzameld, zodat je genclusters heel snel kunt vergelijken met allerlei kennis die mensen hebben opgedaan in een laboratorium.’ Binnenkort gaat hij werken aan Wageningen Universiteit. ‘Ik zie ernaar uit om in mijn nieuwe baan als universitair docent een eigen onderzoeksgroep op te zetten, zodat we de komende jaren systemen kunnen ontwikkelen waarmee we nog veel beter gaan begrijpen wat al die complexe moleculen in de natuur doen en hoe ze optimaal ingezet kunnen worden voor de maatschappij.’

Kandidaat Technologisch toptalent 2014 dr.ir. Leonardo Midolo

Spelen met licht

Leonardo Midolo doet onderzoek aan fotonen: hoe kun je die als kwantumobjecten laten fungeren?

‘Om eerlijk te zijn is er nog steeds discussie of het wel kan werken, maar het is hoe dan ook interessant’

38


Een kwantumdot is een piepkleine afwijkende plek in een fotonenchip. Gestimuleerd door licht kan zo’n plekje zelf ook licht gaan uitzenden. Leonardo Midolo’s uitdaging: de afmeting van de kwantumdot precies goed te maken, zodat je licht krijgt van de kleur die het beste is voor gebruik in een kwantum computer. Er waren wat koerswijzigingen nodig om Leonardo Midolo (Moncalieri, 1983) zijn huidige plek te laten bereiken in de wetenschap. ‘Op de middelbare school was het voor mij in het begin vooral scheikunde, maar na een tijd realiseerde ik me opeens dat natuurkunde me meer interesseerde. Daarom ben ik dat vak in Turijn gaan studeren.’ De universiteit van Turijn werkt nauw samen met het onderzoekscentrum voor deeltjesfysica CERN in Genève, en al tijdens zijn bachelorfase kon Midolo daar terecht, bij het ionen-botsingsexperiment ALICE. ‘Dat was heel boeiend, maar ook heel theoretisch, moeilijk te doorgronden. En je hebt er het idee dat je maar één schakeltje bent, in een project waar duizenden mensen aan werken. Het leek me leuker om iets te doen waarbij je zelf verantwoordelijk bent voor je onderzoek.’ Voor zijn master zwaaide hij om die reden om naar elektronica, mechatronica en materiaalkunde. En voor zijn onderzoek ging hij naar het onderzoekscentrum van Fiat in Turijn. ‘Daar werkte ik aan slimme materialen, die bijvoorbeeld van vorm kunnen veranderen onder invloed van elektrische stroom. Dat kun je toepassen in autodeuren, of andere dingen die automatisch moeten gebeuren. Ik leerde daar veel over het werken in een industriële omgeving, een compleet andere werkwijze dan op de universiteit. Ik ben er na mijn master ook een paar jaar gebleven, maar op den duur vond ik het er toch niet leuk.

39


Het was te toegepast. En eerlijk gezegd ging het ook niet zo goed met Fiat, ze waren het onderzoekscentrum aan het afbouwen, dus ik had ook niet zoveel hoop dat ik daar nog lang zou kunnen blijven.’ Compleet nieuw Dat was het moment dat Nederland in beeld kwam. Ook al omdat Midolo’s vriendin daar aan een promotieonderzoek begonnen was. En opnieuw was het onderwerp waarin hij zich ging verdiepen iets compleet anders dan wat hij daarvoor had gedaan. Geen nadeel, vind hij zelf: ‘Je moet je natuur lijk weer helemaal ergens inwerken, maar dat is juist ook een voordeel, alle dingen die je al hebt geleerd, neem je daarin mee. Je kijkt dus anders tegen het onderwerp aan. Ik gebruik bijvoorbeeld nog steeds programmeertechnieken en softwarepakketten waarmee ik bij Fiat heb kennisgemaakt.’ Het doel van het onderzoek was het produceren van een onderdeel – een enkelefotonen-bron – dat gebruikt zou kunnen worden in een kwantumcomputer. Dat is een computer waarin informatie niet is opgeslagen in onderdelen van conventionele geheugenchips, maar in de eigenschappen van een of meer kleine deeltjes, die zich gedragen volgens de wetten van de kwantummechanica. Volgens die wetten is het heel normaal dat een deeltje zich in meer toestanden tegelijk bevindt, en een berekening waarin zo’n deeltje een rol speelt, is dan in feite meerdere berekeningen tegelijk: kwantumcomputers kunnen daardoor bepaalde sommen veel sneller oplossen dan gewone computers. ‘Het idee is om dat te doen op een chip die met licht werkt’, legt Midolo uit. ‘Fotonen zijn dan de kwantumobjecten. Om eerlijk te

zijn is er nog steeds discussie of het wel kan werken, maar het is hoe dan ook interessant. En je kunt die technieken ook toepassen in apparaten die zeker praktisch zijn, zoals lasers en communicatieapparatuur.’ Kwantumdots Het hart van zo’n fotonenchip wordt gevormd door een heel kleine afwijkende plek in het materiaal van de chip, een zogenoemde kwantumdot. Gestimuleerd door licht kan zo’n plekje zelf ook licht gaan uitzenden en door de afmeting van de kwantumdot precies goed te maken, kun je ervoor zorgen dat je licht krijgt van de kleur die het beste is voor gebruik in een kwantumcomputer, en bijvoorbeeld ook voor het vervoeren van de fotonen via glasvezel. Een probleem met kwantumdots is dat ze hun licht alle kanten op strooien, waardoor een flink deel verloren gaat. Midolo werkte aan een verbeterde versie van een oplossing voor dat probleem: een fotonisch kristal. Zo’n kristal bestaat uit hetzelfde materiaal als de rest van de chip – in het onderzoek galliumarsenide of indiumfosfide, waarin gaten zijn geboord in een regelmatig patroon – vandaar de naam kristal. Die materialen weerspiegelen het licht, dus tussen twee plakken ervan raakt licht dan ook een tijdje opgesloten; de gaatjes zorgen ervoor dat dit effect vooral voor een bepaalde kleur optreedt. ‘Je kunt in principe de kleur kiezen door te spelen met het kristal tijdens het maken van de chip’, zegt Midolo, maar het is allemaal zo klein, dat je dat maar moeilijk kunt beheersen. Het doel was daarom, een fotonenkristal te maken dat je later, terwijl je er mee werkt, precies op een bepaalde kleur kunt afstemmen.’ Dat lukte uiteindelijk met een configuratie

40


waarin één van de twee spiegels vast zit op de chip, terwijl de andere er vlak boven hangt, en maar aan één kant vastzit. Als je verschillende elektrische spanningen op die twee zet, trekken ze elkaar aan en buigt de loshangende spiegel naar de andere toe. Daarmee wordt het afstemeffect bereikt. Als er ooit kwantumcomputers worden gemaakt met dit als onderdeel, zullen die computers misschien zelf de spanning bijstellen zodat ze optimaal presteren. Maar het kan ook zijn dat het mensen zijn die deze knop blijven bedienen. Midolo: ‘Het wordt geen computer zoals wij die kennen. Deze werkt bij een temperatuur van rond 4 Kelvin (-269 graden Celsius). Bij hogere temperaturen zie je de kwantumeffecten niet meer. Dus als ze er al komen, dan zullen het heel bijzondere computers zijn, die werken in een bijzondere omgeving.’ Inmiddels werkt Midolo als postdoc in Denemarken. En, heel bijzonder voor hem: hij is niet van onderwerp veranderd. Op de kwantumcomputer is hij nog niet uitgekeken.

41


Kandidaat Technologisch toptalent 2014 dr. Nico Romeijn

De huid laat zien hoe wakker we zijn

Wat onderscheidt in fysiologisch opzicht de slechte van de goede slaper?

‘Mijn onderzoek naar slaapwaakgedrag heeft tot praktisch toepasbare kennis geleid’

42


Neurowetenschapper Nico Romeijn deed onderzoek naar de verbinding tussen iemands alertheid en de thermoregulatie van de huid. Het blijkt dat de huidtemperatuur niet alleen aangeeft hoe alert iemand is, maar ook kan helpen bij het opsporen van slaapstoornissen. Al op het atheneum was Nico Romeijn (Zaanstad, 1982) gefascineerd door de vraag: hoe zit het menselijk lichaam in elkaar – en in het bijzonder: hoe werkt ons zenuwstelsel? Hij ging biomedische wetenschappen studeren aan de Universiteit van Amsterdam, en deed zijn master in neurowetenschappen. Tijdens zijn stage bij het Nederlands Instituut voor Neurowetenschappen (NIN), raakte hij betrokken bij onderzoek naar mensen die leiden onder extreme slaperigheid en wat hen in fysiologisch opzicht onderscheidt van gezonde slapers. Hij assisteerde in het onderzoek naar het verband van de huid temperatuur met het slaap-waakgedrag en de alertheid van mensen. Romeijn: ‘De huidtemperatuur is een interessante factor. Tot nu toe is er wel onderzoek gedaan naar andere factoren die op slaap-waakgedrag en alertheid van invloed zijn, zoals de sterkte van omgevingslicht, angst, stress en lichaamshouding, maar hoe het precies zit met de verbinding tussen iemands alertheid en de thermoregulatie van de huid, daar is nog maar weinig over bekend. Omdat al de eerder genoemde factoren niet alleen alertheid, maar ook huidtemperatuur beïnvloeden, zou dit wel eens de overkoepelende factor kunnen zijn.’ Volgeplakt met thermometers Het eerste jaar van het project werd in beslag genomen door technische aspecten: hoe meet je het meest nauwkeurig de huidtemperatuur bij proefpersonen? Welke

43


plekken op het lichaam zijn het geschiktst om een relatie te vinden tussen huidtemperatuur en alertheid? De juiste sensoren werden bij een Amerikaans bedrijf gevonden. Dat maakt de iButton, een thermometer ter grootte van een knoopcel, met ingebouwde datalogger. De eerste proefpersonen werden ermee volgeplakt: op de pols, romp, benen, handen en voeten en op het hoofd. Al doende werden de beste plekken gevonden, zodat mensen bij het eigenlijke onderzoek nog maar drie iButtons opgeplakt hoefden te krijgen: op de vinger, pols en de borst. Er werd ook een laboratoriumtest ontwikkeld, waarbij de huidtemperatuur wordt geregi streerd terwijl van proefpersonen de reactie snelheid wordt gemeten via een computer test. ‘Het grote probleem met het vinden van een correlatie tussen de huidtemperatuur en de reactietijd is dat je heel veel natuurlijke variatie hebt. De huidtemperatuur is bij iedere proefpersoon anders, en hangt bijvoorbeeld af van de activiteit, de positie van het lichaam, hoe iemand heeft geslapen, de omgevingstemperatuur en de tijd van de dag. Het was mijn opgave om systematisch alle variabelen te kwantificeren en stoorfactoren uit te sluiten.’ Het bleek dat hoe hoger de huidtemperatuur is, hoe trager mensen reageren, en hoe meer ze geneigd zijn om fouten te maken. Bij gezonde proefpersonen, die goed zijn uitgerust, was dat verband duidelijk aantoon baar. Dat leverde een eerste publicatie op, en een uitdaging: ‘Van de reviewers kregen we namelijk te horen: ‘mooi onderzoek hoor, maar als mensen al goed zijn uitgerust, welk nut heeft het dan om hun alertheid te meten? Is het niet interessanter om te onderzoeken of dit verband ook aanwezig is in vermoeide toestand?’ Dat was een goede motivatie voor mij.’

Slaapdagboek Want Romeijn was inmiddels al bezig die uitdaging aan te nemen. In het laboratorium werden namelijk niet alleen de huidtempera tuur gemeten, maar ook (met een elektroencefalogram, een EEG) de veranderingen in de hersenactiviteit na een visuele prikkel. Romeijn: ‘Eerst hebben we de resultaten gemeten na een nacht normale slaap. Daarna na een nacht totale slaapdeprivatie. We hebben daarbij een signaal gemeten dat P300 wordt genoemd. Dat is een elektrisch signaal in het EEG dat ongeveer driehonderd milliseconden na een stimulus optreedt.’ Het bleek een uitdaging om een zinvol verband te vinden tussen de huidtempera tuur en het P300-signaal. Romeijn: ‘Op ieder moment waarop iemand reageert, heeft zijn of haar lichaam een andere huidtemperatuur. Om dan zinvolle relaties te kunnen vinden, heb je spannende wiskunde nodig: multilevel regressie.’ Het bleek dat er niet alleen bij goed uitgeruste personen een duidelijk verband is tussen huidtemperatuur en alertheid, maar ook bij personen die een hele nacht niet hebben geslapen. Ook binnen deze slaapstoornissen zijn slaapen waakperiodes goed te herkennen aan veranderingen van de huidtemperatuur. Dat leverde voor artsen die dit soort patiënten behandelen meteen een bruikbare innovatie op: patiënten met slaapproblemen worden nu vaak naar huis gestuurd met een bewegingssensor, die tijdens de nacht het slaap-waakgedrag moet meten. Romeijn: ‘Het probleem met dit soort metingen is, dat men ervan uitgaat dat als iemand stil ligt, hij of zij wel zal slapen. Maar vooral bij ouderen is dat niet zo: die liggen vaak stil, maar zijn klaarwakker. Als ook de huidtemperatuur nauwkeurig wordt gemeten, zou de arts veel nauwkeuriger kunnen zien wanneer iemand

44


werkelijk slaapt of wakker ligt.’ Het onderzoek van Romeijn heeft een bredere toepassing dan alleen slaapproblemen. Hij heeft ook meegedaan aan een breed opgezet alertheidproject van STW, waarin de invloed op alertheid van allerlei omgevingsfactoren wordt bekeken, zoals omgevingslicht en lichaamshouding. Daarvoor werden mensen gevraagd om alertheidstests aan de computer te doen, terwijl ze met een verstelbare stoel in staande, zittende of liggende positie werden gebracht. Ook het omgevingslicht word nauwkeurig gereguleerd. Bewegingssensor Romeijn hoopt dat het uiteindelijk mogelijk zal zijn om met de kennis uit zijn onderzoek systemen te realiseren die automobilisten of mensen die ’s nachts moeten werken, al heel vroeg kunnen waarschuwen dat hun waakzaamheid afneemt. Romeijn: ‘De systemen die nu op de markt zijn, kijken vooral naar het knipperen of sluiten van de ogen. Maar met het meten van de huidtemperatuur kun je het probleem al eerder detecteren.’ Vanuit het bedrijfsleven is er belangstelling voor dit resultaat. Een fabrikant van systemen voor het registreren van slaap gedrag heeft in de nieuwste modellen naast een bewegingssensor ook al een temperatuursensor opgenomen. Inmiddels is Romeijn universitair docent aan de Universiteit van Amsterdam. ‘Ik vind het fijn om mijn kennis door te geven aan volgende generaties. En als het over slaapgerelateerd onderzoek gaat, kan ik trots laten zien dat ik in mijn eigen onderzoek niet alleen de theorie over slaap-waakgedrag preciezer heb gemaakt, maar ook dat die kennis heel praktisch toepasbaar is.’

45


Colofon

Technologiestichting STW Postadres

Postbus 3021 3502 GA Utrecht The Netherlands Bezoekadres

Van Vollenhovenlaan 661 3527 JP Utrecht T +31 (0)30 600 12 11 F +31 (0)30 601 44 08 E [email protected] www.stw.nl STW-nummer

2014/09446/STW

Interviews

Drs. Bas den Hond Dr. Sybe Izaak Rispens Redactie

Harm Kuipers

ISBN-nummer

978-90-73461-96-3

Eindredactie en productie

Astrid van der Stroom, STW

NUR

950

Ontwerp

Room for ID’s, Nieuwegein Fotografie

Ivar Pel, Utrecht Drukwerk

Zwaan printmedia, Wormerveer

46


www.stw.nl

Simon Stevin Gezel. Technologiestichting STW. Simon Stevin Prijzen. Nr. 10 Technologisch Toptalent oktober 2014

Recommend Documents