WAAR WIJ TROTS OP ZIJN DE ONTDEKKINGEN VAN 2007
Faculteit der Wiskunde & Natuurwetenschappen
INHOUD Inleiding
Een faculteit om te ontdekken Onderscheidingen, prijzen en subsidies
Joost Broekens Anna Diller Arno Hazekamp Hermen Jan Hupkes Mariska Kriek Niels Raes Merlijn van Spengen Ashraf Yassen
Gesimuleerde muizen problemen laten oplossen Scheef aminozuur blijkt geheim van de fotosynthese Cannabis als medicijn De lol van het dichttimmeren Postnatale sterrenstelsels Verspreiding in kaart gebracht met statistiek Microversterker voor ruige omstandigheden Ideale pijnstiller gemodelleerd
English summeries Suggesties Colofon
Voor onder de kerstboom
4 5
8 12 16 20 24 28 32 36
40 42 43
Joost Broekens Leiden Institute of Advanced Computer Science
Arno Hazekamp Instituut Biologie Leiden
Anna Diller Leids Instituut voor Chemie
Hermen Jan Hupkes Mathematisch Instituut
E E N F A C U LT E I T O M T E O N T D E K K E N
Mariska Kriek Sterrewacht Leiden
Merlijn van Spengen Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde
Niels Raes Nationaal Herbarium Nederland
Ashraf Yassen Leiden/Amsterdam Center for Drug Research
EEN FACULTEIT OM TE ONTDEKKEN
4
De Faculteit der Wiskunde en Natuurwetenschappen aan de Universiteit Leiden wil excelleren in het onderzoek en onderwijs van onze disciplines: wiskunde, informatica, natuur- en sterrenkunde, scheikunde, biologie en bio-farmaceutische wetenschappen. Multiplicinaire samenwerking streven wij na op het gebied van Bio-Science onder het motto Life meets Science, het overkoepelende thema van onze faculteit. Op dit gebied werken we nauw samen met het LUMC en de TU Delft. Multidisciplinaire samenwerking vindt ook plaats in de regio met de bedrijven in het Bio-Science Park en met Naturalis; in nationaal verband zoals in het Lorentz Center, NOVA, LOFAR, NHN, DIAMANT, NDNS, Cytron, het Top Instituut Pharma, de Smartmix projecten: Nano Imaging en Biomedical Research Tools en de NGI initiatieven: het National Center for Metabolomics (NCM) en het Netherlands Center for Toxicologie (NCT); en internationaal in meerdere EU-projecten. Met een excellente onderzoeksomgeving, in een faculteitsbrede Graduate School of Science, trachten we toptalent uit binnen- en buitenland naar Leiden te trekken. Onze criteria bij de keuze van wetenschappelijk onderzoek zijn: wetenschappelijke `impact’, technologische innovatie en maatschappelijke relevantie.
Intensieve samenwerking met het middelbaar onderwijs in de regio moet de studenteninstroom op bachelor-niveau verder doen groeien. Een ambitieus internationaliseringsplan moet meer masteren PhD-studenten naar Leiden trekken. Studeren in een onderzoeksomgeving moet leiden tot het vergroten van ons rendement, en de academische vorming zal onze afstudeerders helpen bij hun verdere carrière. Uitvoering van het `tenure-track’ beleid is de eerste prioriteit in ons personeelsbeleid. De aanstaande unilocatie voor onze biologen is essentieel voor het realiseren van onze ambities in Bio-Science. We blijven streven naar excellente technische, onderwijskundige en bestuurlijke faciliteiten. Professionele bedrijfsvoering moet ervoor zorgen dat we ook financieel gezond blijven. Bovenstaande is een korte samenvatting van de strategie van onze faculteit die het beleid in de komende jaren zal bepalen. We zijn trots op Frans Saris die tijdens zijn periode als decaan van onze faculteit een enorme bijdrage heeft geleverd aan de successen die het mogelijk maken om de strategie van onze faculteit zo krachtig te formuleren. We zijn ook trots op de lange lijst met onderscheidingen en prijzen die in 2007 invulling aan onze strategie geven.
BIJZONDERE ONDERSCHEIDINGEN EN PRIJZEN
• Tim de Zeeuw, wetenschappelijk directeur van de Sterrewacht Leiden, heeft op 8 juni 2007 van de University of Chicago een eredoctoraat in de natuurwetenschappen ontvangen. • Hendrik Lenstra (MI) werd benoemd tot Akademiehoogleraar Tevens was hij een van de hoogleraren op Lowlands University. • Joost Frenken (LION) ontving de prestigieuze Jacob Kistemaker prijs van de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM). • Ewine van Dishoeck ontving de R.M. Petrie Lecture award van de Canadian Astronomical Society • Frans Saris, decaan van de Faculteit der Wiskunde en de Natuurwetenschappen, is bij zijn afscheid benoemd tot Ridder in de Orde van de Nederlandse Leeuw. • De Linnean Society van London heeft aan Jan van Os (Nationaal Herbarium Nederland - Leiden) de prestigieuze Jill Smythies prijs toegekend voor zijn botanische illustraties van flora’s en wetenschappelijke artikelen. • Carla Teune, voormalig hortulana van de Leidse Hortus Botanicus is benoemd tot Ridder in de Orde van Oranje-Nassau. • Tijdens het congres van de Phytochemical Society of Europe (PSE) in april in Cambridge, heeft Rob Verpoorte (IBL) de PSE-medaille uitgereikt gekregen. • De European College of Neuro-Psychopharmacology (ECNP) heeft de ECNP Neuro-psychopharmacology Award 2007
toegekend aan Ron de Kloet (LACDR). • Aan Ad IJzerman (LACDR) is de Utrecht Pharmaceutcial Research Award 2007 toegekend. • Hans Jünginger, voormalig hoofd van de vakgroep Farmaceutische Technologie van het LACDR, heeft de PSWC Research Achievement Award op het Pharmaceutical Sciences World Congress (PSWC2007) ontvangen. • Ilze Bot van de sectie Biofarmacie van het Leiden/Amsterdam Center for Drug Research (LACDR) heeft tijdens het tweede symposium over Biomechanics in Cardiovascular Disease: Shear Stress in Vascular Biology de Young Investigator Award voor de beste mondelinge presentatie gewonnen. • Wiskundemeisjes.nl, de weblog van de Leidse wiskunde-promovendi Jeanine Daems en Ionica Smeets, viel twee keer in de prijzen bij de uitreiking van de Dutch Bloggies, prijzen voor de beste Nederlandse weblogs. • Biologen Mike Richardson en Freek Vonk drongen met hun team door tot de finaleronde van de Academische jaarprijs 2007. • Ann-Marie Madigan (Sterrewacht) won een TopTalent subsidie van NWO voor een promotieonderzoek naar “Stellar & Gas Dynamics Near Super-Massive Black Holes”. • Jasper Lukkezen, Jan van Ostaay, Eric Siero en Jelle Brill (allen lid van de studievereniging Leidsche Flesch) wonnen PION (het Project Interuniversitaire Olympiade Natuurkunde). Ook de tweede
5
plaats was voor een Leidsch team: Feynman’s Entangled Bitches, bestaande uit Rogier van der Geer, Michiel Kosters, Ariyan Javanpeykar en Marcel van Daalen. • Het Leidse team ‘Aleph-4’, bestaande uit Joost Michielsen, Birgit van Dalen, Joost Weimar en Michiel Kosters winnen LIMO (de Landelijke Interuniversitaire Mathematische Olympiade). Ook de derde plaats was voor Leiden - Team ‘V-4’, bestaande uit vier eerstejaars studenten. • Een team van drie Flesschers, bestaande uit Thomas Beuman, Johan de Ruiter en Misha Stassen heeft het BAPC 2007 (de Benelux Algorithm Programming Contest) gewonnen. • Aartjan Te Velthuis, in maart cum laude afgestudeerd bij de opleiding Biologie, ontving de Unilever research prijs.
SUBSIDIES
6
• Michael Richardson, hoogleraar ontwikkelingsbiologie, was hoofdaanvrager voor het project “A new generation of efficient biomedical research tools”, dat in 2007 14 miljoen heeft gekregen uit het Smart Mix fonds. • Ook grensvlakfysicus Joost Frenken ontving, samen met Delfste collega’s een even zo omvangrijke Smart Mix subsidie voor het project “Nano Imaging under Industrial Conditions” (NIMIC). • Thomas Hankemeier, hoogleraar analytische biowetenschappen (LACDR), is de landelijke coördinator van het onlangs door het Nationaal Regieorgaan Genomics gehonoreerde voorstel om samen met wetenschappelijke partners en industrie te komen tot een Nationaal Center voor Metabolomics (NMC). • Daarnaast is de faculteit betrokken bij drie andere NGI initiatieven die opnieuw subsidie ontvingen: het Kluyver Center, het Center for Medical System Biology (CMSB) en het Netherlands Toxiconomics Center (NGI).
MOZAIEK • Amar Ghisaidoobe (LIC) kreeg een MOZAIEK subsidie voor onderzoek naar “Synthese van DNA fragmenten”.
TOPTALENT • Ann Marie Madigan (Sterrewacht) kreeg een TOPTALENT subsidie voor onderzoek naar “Stellar & Gas Dynamics Near Super-Massive Black Holes”.
VENI • Bertus Beaumont IBL) ontving van NWO een VENI subsidie voor het project “Darwins wetboek ontcijferen”. • Jante Salverda (LION) ontving van NWO een VENI subsidie voor het project “Meten aan één redoxeiwit”. • Louis de Smet (LION) ontving van NWO een VENI subsidie voor het project “Vissen naar een biopolymeer”.
VIDI • Alex Yanson, (LIC), ontving een VIDI subsidie voor het project “Inzoomen op actieve plekken op een katalytisch oppervlak”.
Benoemingen • Dirk Bouwmeester werd benoemd tot hoogleraar “Kwantumoptica en kwantuminformatie”. • Rietje van Dam werd benoemd tot hoogleraar “Duurzame ontwikkeling en onderwijsvernieuwing”. • Maarten de Jong werd benoemd tot bijzonder hoogleraar “Experimentele Astrodeeltjesfysica” vanwege het Leids Universiteits Fonds. • Frans van Lunteren werd benoemd tot hoogleraar “Geschiedenis van de natuurwetenschappen” vanwege Teylers Stichting. • Tim de Zeeuw benoemd tot Lid Koninklijke Hollandse Maatschappij der Wetenschappen. • Tim de Zeeuw benoemd tot directeur-generaal van de internationale sterrenkunde-organisatie ESO. • Koen Kuijken werd benoemd tot Wetenschappelijk directeur van de Sterrewacht. • Thomas Baeck werd benoemd tot Opleidingsdirecteur Informatica. • Sjoerd Verduyn Lunel werd benoemd tot decaan van de faculteit. • Peter Stevenhagen werd benoemd tot Wetenschappelijk directeur van het Mathematisch Instituut. • Johan Kuiper werd benoemd tot Opleidingsdirecteur Biofarmaceutische Wetenschapen. • Bas Edixhoven werd benoemd tot Opleidingsdirecteur Wiskunde. Voorgedragen docenten voor de Facultaire Onderwijsprijs 2007: Gregg Siegal (LST), Guido Bloemberg (IBL), Gijs van der Marel (MST), Thomas Baeck (Informatica), Dan Stinebring (Sterrenkunde), Matthieu Noteborn (BFW), Edgar Blokhuis (Scheikunde), Lodewijk Kallenberg (Wiskunde).
Daar komen nog acht prijswinnaars bij, want wij hebben de wetenschappelijke directeuren van onze instituten gevraagd om de ontdekkingen van 2007 aan te melden. Interviews met de ontdekkers staan in dit boekje en op de website: www.science.leidenuniv.nl/ontdekkervanhetjaar Op deze webside kunt u uw stem uitbrengen op de degene die volgens u de Ontdekker van het Jaar 2007 is. Daarnaast is er een wetenschappelijke jury die ook een Ontdekker van het Jaar kiest. De publiekswinnaar en de juryprijswinnaar krijgen op 7 januari 2008, tijdens de nieuwjaarsreceptie in de hal van het Gorlaeus, de C.J. Kokprijs uitgereikt. We wensen u veel leesplezier. Het bestuur van de Faculteit der Wiskunde en Natuurwetenschappen, Jörn Venderbos Gert Jan van Helden Jan Kijne Sjoerd Verduyn Lunel
7
Faculteit der Wiskunde & Natuurwetenschappen
Joost Broekens met een elektromechanisch hoofd dat op een beperkte maar effectieve manier de emoties van de gesimuleerde muis kan weergeven. Voelt de muis zich slecht, dan kijkt het houten gezicht droevig, voelt hij zich goed dan kijkt het blij. Op die manier doorziet de computergebruiker veel sneller hoe de muis zich voelt dan wanneer hij op het scherm getallen moet aflezen.
8
Joost Broekens (31) is vier en een half jaar in dienst geweest bij het LIACS (Leiden Institute of Advanced Computer Science) en werkt sinds kort als onderzoeker aan het Telematica Instituut in Enschede. Op het moment van schrijven is hij bijna gepromoveerd: 18 december was het moment suprème. In verband met die promotie doet hij onderzoek naar de invloed van emoties op leerprocessen, met name door middel van computermodellen waarin bepaalde vormen van kunstmatige intelligentie worden toegepast.
JOOST BROEKENS LEIDEN INSTITUTE OF ADVANCED COMPUTER SCIENCE (LIACS)
GESIMULEERDE MUIZEN PROBLEMEN LATEN OPLOSSEN
Wat hebben emoties met leerprocessen te maken? Na zo’n vier jaar onderzoek hoeft Joost Broekens daar niet zo lang meer over na te denken: “Als je in een positieve stemming bent, denk je anders dan als je in een negatieve stemming bent. In een positieve stemming denk je meer aan positieve dingen. Bovendien ben je dan creatiever en neem je dingen makkelijker aan, terwijl je kritischer bent in een negatieve stemming. Daarnaast heeft hersenonderzoek uitgewezen dat rationele beslissingen minder effectief zijn als het gedeelte van de hersenen waar emotie zetelt beschadigd is. Kortom, emoties bevorderen het denk- en leerproces.” De computermodellen die Broekens heeft ontwikkeld op het grensvlak van psychologie en computerwetenschap, hebben te maken met reinforment learning: “Het is zoiets als opvoeden, maar dan digitaal. Je wordt beloond als je het goed doet en je krijgt straf als je het fout doet.” Die modellen werken met een gesimuleerde muis, een stukje kunstmatige intelligentie dat oplossingen voor problemen ontdekt zonder menselijke inmenging. De muis moet voedsel zoeken in een doolhof. Vindt hij voedsel, dan werkt dat als een beloning: hij krijgt extra energie, onthoudt waar het eten zich bevindt en probeert de volgende keer de stappen om bij het voedsel te komen te herhalen. Gedurende een langere periode geen eten vinden, of steeds tegen een muurtje aanlopen of iets dergelijks, staat bij die muis gelijk aan straf. Bestraft gedrag wordt niet herhaald.
Reinforment learning rust op drie pijlers: exploratie, herhaling en beloning. Daarbij moet de verhouding tussen die drie variabelen precies goed zijn. Met een te kleine beloning, of een te lange weg naar die beloning, werkt reinforcement learning niet goed. Broekens vergelijkt het gedrag van de gesimuleerde muis met als je in een nieuwe stad gaat wonen: “Op de eerste dag in je nieuwe huis krijg je honger, maar je weet nog niet de weg in de stad. Je gaat dus maar een beetje dwalen, tot je een supermarkt vindt. De eerste paar keer haal je daar je boodschappen, maar ondertussen blijf je exploreren, tot je òf een dichterbij gelegen supermarkt vindt, òf een betere, òf een goedkopere, afhankelijk van wat je wensen zijn. Uiteindelijk leer je hierdoor de kortste weg naar de beste supermarkt. Zo werkt reinforcement learning ook.”
Emotiegestuurd exploreren Het emotiemodel van de gesimuleerde muis stuurt de afweging tussen exploratie en herhaling, en werkt met slechts twee variabelen: goed en slecht. Goed betekent dat het beter gaat dan wat hij gewend is, slecht dat het slechter gaat dan wat hij gewend is. Vindt hij bijvoorbeeld lang achtereen geen voedsel, dan gaat zijn welbehagen achteruit en gaat hij actiever exploreren. Vindt hij daarentegen wel tijdig eten dan gaat hij dank zij een groter welbehagen juist exploiteren, dit wil zeggen de geleerde stappen herhalen en dus
9
JOOST BROEKENS beter benutten wat hij al weet. Maar Broekens heeft nòg een reden om op deze manier emotie te koppelen aan exploratie: “Als ik een plotselinge verandering in de wereld van de gesimuleerde muis aanbreng, zoals het voedsel verplaatsen of de paden veranderen, dan zit mijn muis niet met zijn handen in het haar: hij begint gewoon weer met exploreren tot hij de nieuwe voedselbergplaatsen gevonden heeft.” Maar is dit model niet veel simpeler dan de werkelijkheid? “Natuurlijk,” antwoordt Broekens, “maar als je teveel variabelen hebt, kun je niets zinnigs uit je onderzoek afleiden. Je moet met een paar variabelen beginnen en van daar uit verder uitbouwen.”
Elektromechanisch hoofd
10
In de hierboven beschreven voorbeelden werkt de muis zelfstandig: zonder hulp van degene die achter de computer zit. Een dalend muizenwelbevinden leidt tot toenemende exploratie, een toenemende exploratie hopelijk tot een beloning in de vorm van voedsel. Dat is alles. Maar hoe zou het de muis vergaan als de computergebruiker hem helpt? Maakt menselijke feedback hem slimmer? Om dat te onderzoeken, heeft Joost Broekens samen met Pascal Haazebroek en elf studenten een model ontwikkeld. Allereerst hebben ze een elektromechanisch hoofd gebouwd dat op een beperkte maar effectieve manier de emoties van de gesimuleerde muis kan weergeven. Voelt de muis zich slecht, dan kijkt het houten gezicht droevig, voelt hij zich goed dan kijkt het blij. Op die manier doorziet de computergebruiker veel sneller hoe de muis zich voelt dan wanneer hij op het scherm getallen moet aflezen. Feedback richting muis gebeurt op een vergelijkbare manier: een digitale camera leest de wisselende gezichtsuitdrukkingen van de computergebruiker, die vervolgens de muis stimuleren om zijn prestaties te verbeteren. Kijkt de computergebruiker blij, dan weet de muis dat hij op de goede weg is en gaat hij door waar hij mee bezig is. Kijkt de computergebruiker daarentegen boos dan weet de muis dat hij fout zit en gaat hij iets anders proberen. Maar ook hier staat of valt het succes met een goede afregeling van de variabelen. Broekens: “De manier waarop de muis leert is belangrijk. Leert hij te langzaam, dan is de lach van de computer-
gebruiker al voorbij voordat de muis heeft begrepen dat er sprake was van een positieve stimulans. Maar leert hij te snel, dan verandert de menselijke gezichtsuitdrukking voor hem juist te langzaam om er informatie uit te kunnen halen. Ook is het effect afhankelijk van de sterkte van de emotionele stimulans. Een sterkere stimulans kan het leren versnellen, maar kan het ook makkelijker verstoren. Dat kan bijvoorbeeld als de computergebruiker per ongeluk boos kijkt tegen de muis terwijl die wel netjes naar het voedsel loopt. Een simpel experiment als dit laat dus al zien dat leerprocessen alleen binnen zekere grenzen effectief zijn.” Het uiteindelijke doel van Broekens’ experimenten is om te kijken of dit soort emotioneel tweerichtingsverkeer de menselijke interactie met software, of met robots, natuurlijker en dus gemakkelijker maakt. Affective computing is de vakterm hiervoor.
Lerende televisies en stofzuigers Denk voor een praktische toepassing aan een televisie die aan de hand van emoties in de ruimte leert welke programma’s leuk zijn voor welk lid van het gezin. Broekens: “De televisie kan dan leren wie wat leuk vindt en op basis van persoonlijke voorkeur programma’s voorstellen, of reclame natuurlijk. Met dit soort onderzoek zijn we nu bij het Telematica Instituut bezig.” Een ander voorbeeld is een stofzuiger die zelfstandig, dus zonder actieve menselijke bediening, het huis schoon kan houden. Tijdens de initiële instructieperiode wil je je schoonmaakrobot niet honderd keer hoeven te vertellen wat hij wel en niet moet doen, of wat wel en niet gevaarlijk is. Dat moet de stofzuiger na slechts enkele instructies doorhebben, anders wil geen mens hem kopen. Broekens: “Bovendien zou het handig zijn als die stofzuiger voor verschillende gebruikers verschillende manieren van stofzuigen kan aanleren. Eentje voor mij (snel), en eentje voor mijn vriendin (grondig en degelijk). Maar ja, eer dat zo’n routine praktisch gerealiseerd is, ben je zo weer een paar jaar verder. Ik ben al blij dat ik überhaupt experimenten heb kunnen ontwerpen die het interactieve leerproces weer een stapje verder begrijpelijk maken.” Rob Smit
11
12
Anna Diller (1977) is geboren in Lichtenfels, Duitsland. Zij studeerde biologie aan de Universiteit van Konstanz. In september 1999 kreeg zij een beurs om een jaar te studeren aan de Oregon State University. Voor haar afstudeeronderzoek werkte zij aan H+-K+-ATPase in de vakgroep van Membrane Biophysics van de Universiteit van Konstanz. Na haar afstuderen begon zij aan de Universiteit Leiden met haar promotieonderzoek bij de Solid State NMR groep van het LIC. Dit deed zij bij Jörg Matysik in een project gefinancierd door de VolkswagenStiftung. Op 18 september 2007 is zij gepromoveerd. Inmiddels werk zij als postdoc aan het Institut Européen de Chimie et Biologie, CNRS-Université de Bordeaux, waar ze met behulp van NMR onderzoek doet aan membraansignaallipiden.
ANNA DILLER LEIDS INSTITUUT VOOR CHEMISCH ONDERZOEK (LIC)
SCHEEF AMINOZUUR BLIJKT GEHEIM VAN DE FOTOSYNTHESE
“Om natuurlijke fotosystemen succesvol na te kunnen maken, is het belangrijker dan ooit om de laatste raadsels van de fotosynthese op te lossen en te begrijpen.” Zo luidt stelling 7 uit het proefschrift van Anna Diller. In haar promotieonderzoek probeerde zij één van die laatste raadsels op te lossen: hoe kan het dat het eiwitcomplex fotosysteem II uit het fotosynthetisch systeem zo’n sterke oxidator is dat het zelfs water kan splitsen. Al voor aanvang van haar studie biologie aan de universiteit van Konstanz wist Anna Diller wat ze wilde: biofysicus worden. “De universiteit van Konstanz had een goed programma over biofysica in de studie biologie opgenomen. Daarom ben ik dat gaan studeren. Na mijn master’s wilde ik met biofysische technieken membraaneiwitten bestuderen. Dat leek mij een enorme uitdaging. Toen bleek dat er in Leiden een project kon worden uitgevoerd om met een bijzondere techniek het eiwitcomplex fotosysteem II uit de fotosynthese te gaan bestuderen, ben ik dat gaan doen.” Over de fotosynthese zijn al veel details bekend. Eén belangrijke vraag – misschien wel de belangrijkste – was nog niet beantwoord: hoe kan het dat PSII zo’n sterke oxidator is dat het zelfs elektronen uit water kan halen? Anna Diller zegt daarover: “Inderdaad, PSII is de sterkste oxidator uit de levende natuur. In mijn onderzoek wilde ik te weten komen hoe het die extreem hoge redoxpotentiaal voor elkaar krijgt. PSII is een heel groot eiwitcomplex. Wij wilden op
atomaire schaal inzicht krijgen in de processen die in dat grote eiwit plaatsvinden.” De Solid State NMR-groep van het Leids Instituut voor Chemisch onderzoek kon daarvoor een nieuwe techniek gebruiken: photoCIDNP MAS NMR. Bij deze variant van vastestof-NMR worden de NMR-signalen van het chlorofyl specifiek versterkt, doordat de vrije elektronen die ontstaan bij het opschijnen van licht de kernspins van het chlorofyl uit evenwicht brengen. De intensiteit van de pieken in het NMR-spectrum is dan gerelateerd aan de elektronspindichtheid in het chlorofyl.
Spinazie “Om de stikstofsignalen van het chlorofyl beter te kunnen waarnemen, gebruikten we met stikstof-15 gelabelde spinazie. Daarvoor hebben we in het lab onze eigen spinazie gekweekt in isotoop-gelabeld medium”, glimlacht Anna Diller. “Dat vond iedereen wel grappig.” Een van de leukste aspecten van het project vond ze dat het zo multidisciplinair was: “Ik deed alles: van het kweken van de spinazie tot de analyse van de spectra. Bovendien kon ik daardoor met veel collega’s samenwerken. Er was veel intellectuele input van veel verschillende mensen en dat was erg inspirerend.” De resultaten mochten er wezen. “We zagen dat de elektronenspindichtheid bij het chlorofyl van PSII heel anders is dan bij
13
ANNA DILLER andere chlorofylen, zoals dat in PSI. We zagen ook een elektronensignaal dat niet afkomstig was van het chlorofyl. Dat hebben we toegeschreven aan een histidine-eenheid van PSII.” Een schijnbare irrelevantie, maar niet voor de oplettende promovenda. Histidine is een van de aminozuren waaruit eiwitketens zijn opgebouwd. Die ene histidine-kraal in de eiwitketen lijkt een detail, maar blijkt cruciaal voor het fotosyntheseproces. De aromatische ring waaruit de zijketen van het aminozuur bestaat, staat een beetje schuin op de ring van het chlorofyl. Dat maakt dat de elektronenwolken van de twee aromatische ringen elkaar kunnen overlappen. Volgens Diller wordt de elektronenzuigende werking van het chlorofyl daardoor dusdanig versterkt dat het zelfs elektronen uit water kan opnemen.
Biomimetische systemen
14
Het betrof uiteraard nog fundamenteel onderzoek, maar Diller denkt dat haar vondst heel goed praktisch toepasbaar is, bijvoorbeeld om organische moleculen te ontwerpen die fotosynthese kunnen nabootsen. Daarmee zou je kunstmatige energiebronnen kunnen maken. Nabootsen van natuurlijke processen heet ‘biomimicry’. In stelling 9 van haar proefschrift zegt Anna Diller daarover: “Biomimetische systemen missen biologische efficiëntie.” Daar komt wellicht verandering in. De laatste raadsels van de belangrijkste natuurlijke energiebron, de fotosynthese, lijken met dit werk immers voor een flink deel opgehelderd. Elisabeth Meulenbroek
FIGUUR A
De fotosynthese is het proces waarmee planten en fotosynthetische bacteriën licht van de zon omzetten in chemische energie. Bij planten begint de fotosynthese bij het eiwitcomplex dat fotosysteem II wordt genoemd, afgekort PSII. Chlorofyl maakt onderdeel uit van dat complex. Door absorptie van een foton (‘lichtdeeltje’) wordt een elektron uit een chlorofylmolecuul geschoten. Dat elektron legt vervolgens een weg af door verschillende eiwitten, die als gevolg daarvan protonen voor de aanmaak van ATP gaan pompen. Het elektron vervolgt zijn weg om tenslotte bij het eiwitcomplex fotosysteem I (PSI) uit te komen. Ook dat bevat chlorofyl. Daar wordt het, na absorptie van een tweede foton, overgedragen aan NADP+. Vervolgens kunnen in de zogenoemde donkerreactie suikers gemaakt worden. PSII krijgt zijn elektronen terug door water te splitsen. Daar watermoleculen zeer stabiel zijn, vraagt deze reactiestap om een buitengewoon sterke elektronenzuigende kracht. Het gehele proces kan dan weer opnieuw beginnen.
Histidine (His198)
axiale positie FIGUUR B
Doordat de aromatische ring van een histidine-residu uit de eiwitketen een beetje schuin op de ring van het chlorofyl staat, kunnen de elektronenwolken van de twee aromatische ringen elkaar overlappen. Dat maakt het chlorofyl zo’n sterke elektronenzuiger dat het zelfs water kan oxideren.
schuine positie
chlorofyl
15
16
Arno Hazekamp (1976) studeerde Moleculaire Biologie aan de Universiteit Leiden. Als doctoraalstudent meldde hij zich bij de afdeling Farmacognosie met de boodschap: “Ik wil naar Thailand! Wat kan ik daar voor nuttigs doen?” Het werd een onderzoek naar planten met een anti-astmatische werking. Hazekamp studeerde cum laude af en begon een promotieonderzoek bij dezelfde afdeling, ditmaal naar medicinale cannabis. Sinds zijn promotie in 2007 runt hij een eigen bedrijf voor cannabisonderzoek en -voorlichting.
ARNO HAZEKAMP INSTITUUT BIOLOGIE LEIDEN (IBL)
CANNABIS ALS MEDICIJN
Sommige chronisch zieken hebben baat bij het gebruik van cannabis. Ze kunnen daarvoor naar de apotheek, maar coffeeshops zijn goedkoper. Daar weet je echter nooit precies wat je krijgt. Arno Hazekamp onderzocht de kwaliteitsverschillen. Hij ontwikkelde een standaardmethode om cannabis te classificeren en vergeleek verschillende manieren van toediening. Nu reist hij het land door op cannabiskruistocht. Wie houdt van een jointje, moet in Nederland zijn. Cannabis, beter bekend als marihuana of wiet, is hier vrij verkrijgbaar. Niet alleen liefhebbers zijn daar blij mee, maar ook wetenschappers. “In geen enkel ander land zou je cannabis zo gemakkelijk kunnen onderzoeken”, zegt Arno Hazekamp. “Elders doet men daar veel moeilijker over, zeker sinds de Verenigde Naties in 1961 een strenge wereldwijde beperking hebben ingesteld.” En onderzoek, aldus Hazekamp, is hard nodig. Zeker wanneer het gaat om medicinaal gebruik van cannabis. “Het is al eeuwenlang bekend dat de hennepplant symptomen van bepaalde chronische aandoeningen kan verlichten,” vertelt de onderzoeker, “bijvoorbeeld pijn bij multiple sclerose (MS), misselijkheid bij kankerbehandelingen en AIDS, en de tics van het syndroom van Tourette.” Sinds een jaar of tien staat wetenschappelijk vast dat het niet gaat om bakerpraatjes. De werkzame stoffen in cannabis, de zogenaamde cannabinoïden, lijken sterk op kalmerende stoffen die het lichaam
zelf maakt. Ons zenuwstelsel heeft specifieke receptoren die op cannabinoïden reageren. Als je cannabis echter op een verantwoorde en effectieve manier als medicijn wilt gebruiken, moet je precies weten welke werkzame stoffen erin zitten, welke kwaliteitsverschillen er zijn en hoe je cannabis het beste kan toedienen. “Naar al deze dingen is verrassend weinig onderzoek gedaan”, zegt Hazekamp. “Er bestaat weliswaar een berg aan literatuur over de werkzame stoffen, maar iedereen gebruikt andere methoden om ze te analyseren en te kwantificeren. Daardoor kon je gegevens nooit met elkaar vergelijken.”
Schimmels Hazekamp ontwikkelde daarom een standaardmethode om het exacte cannabinoïdgehalte te bepalen en te beschrijven. Vervolgens onderzocht hij van alle cannabinoïden een aantal belangrijke chemische eigenschappen. Ook dat was hard nodig. Hazekamp: “Toen was het tijd voor een vergelijkend marktonderzoek.” Sinds 2003 is medicinale cannabis in Nederland op recept bij de apotheek verkrijgbaar. De productie en verwerking ervan zijn in handen van het Bureau voor Medicinale Cannabis, een overheidsinstelling. Cannabis is bij de apotheek echter zo’n twintig tot dertig procent duurder dan bij een coffeeshop. Het medicijn wordt door verzekeraars niet vergoed. Veel patiënten halen hun geneesmiddel dus noodgedwongen bij de wietboer om de hoek.
17
ARNO HAZEKAMP Hazekamp was nieuwsgierig naar de kwaliteit daarvan. Bij verschillende coffeeshops in Nederland kocht hij tien gram cannabis, die hij in zijn lab nauwkeurig onderzocht en vergeleek met die van de apotheek. “Allereerst bleek dat je vrijwel overal betaalt voor tien gram, maar minder meekrijgt”, vertelt hij. “Het verschil is soms meer dan tien procent. Daarnaast varieert het gehalte aan werkzame stoffen behoorlijk. Per saldo is de apotheek-cannabis daarom niet eens zoveel duurder dan die van de gemiddelde coffeeshop. De prijs valt redelijk binnen de spreiding.” Hazekamp ontdekte nog een reden om toch maar naar de apotheek te gaan: elk van de onderzochte coffeeshopmonsters bevatte bacteriën en schimmels, soms zelfs in grote hoeveelheden. “Verder weet je nooit waar de planten vandaan komen. Je haalt nooit twee dagen achter elkaar hetzelfde spul. Het kan verschillen in ouderdom, herkomst en ras. Het lijkt er zelfs op dat er dealers zijn die er met opzet troep doorheen mengen, zelfs glassplinters, om het zwaarder te maken.”
18 Ballon Zelfs als een patiënt een gram cannabis van de apotheek gebruikt, is het nog niet zeker hoeveel werkzame stoffen hij precies binnenkrijgt. De manier van toedienen maakt een groot verschil. Veel mensen roken een jointje, maar ze inhaleren daarbij ook schadelijke verbrandingsgassen. Gezonder is een zogenaamde verdamper: een apparaat dat de werkzame stoffen met hete lucht vrijmaakt, waarna de patiënt ze kan inademen. Hazekamp laat er een zien: een piramidevormig apparaat ter grootte van een keukenmachine. Een halve gram cannabis wordt in een soort thee-ei in het apparaat geplaatst. De hete lucht die er doorheen stroomt, komt terecht in een ballon met een ventiel. De ballon kan de patiënt er vervolgens afnemen, waarna hij de lucht kan opzuigen. “Dit is een fantastisch apparaat,” zegt Hazekamp enthousiast, “er kan niets mee fout gaan. Als je er een juiste hoeveelheid indoet, en de temperatuur keurig instelt op 180 graden, bevat de ballon altijd dezelfde hoeveelheid cannabinoïden.” De enige kink in de kabel is de houdbaarheid: in de ballon verliezen de stoffen na enige tijd hun werkzaamheid. “Maar nu we dat weten, kunnen we mensen erop wijzen.”
Een derde manier van toediening is als thee. Sommige mensen geven daar de voorkeur aan, omdat ze niet graag warme lucht inademen of omdat ze de methode vertrouwder vinden. Ook het theezetten bleek goed te standaardiseren. “Variabelen zoals de kooktijd en de hoeveelheid water maken niet eens zoveel uit, zolang je alle thee maar meteen opdrinkt”, geeft Hazekamp aan. “Anders is het als je in één keer een grote hoeveelheid klaarmaakt, en de rest in de koelkast bewaart. Na twee dagen is de thee zijn werkzaamheid kwijt.” Elke dag verse thee maken is erg lastig voor een MS-patiënt voor wie iedere handeling pijnlijk is. Maar wat blijkt? Als je een klontje boter aan de thee toevoegt, of koffiemelkpoeder, dan is de thee wel een week houdbaar. De werkzame stoffen binden zich aan de vette bestanddelen en blijven zo in de thee aanwezig. “Ideaal,” lacht Hazekamp, “daar kunnen mensen tenminste wat mee.”
Eigen bedrijf Met zijn onderzoek hoopt Hazekamp de maatschappelijke discussie over medicinale cannabis een wetenschappelijke basis te geven. “Iedereen heeft er wel een mening over”, zegt hij. “Cannabis heeft nog altijd een sterk negatief imago. Mensen zeggen vaak: die medicinale cannabis is gewoon een excuus voor mensen die lekker een jointje willen roken. Anderen zeggen: het is een homeopathisch middel en de effecten zijn niet bewezen.” Feit is echter dat grote groepen mensen er baat bij hebben – tien- tot vijftienduizend, volgens een schatting van het Ministerie van Volksgezondheid – en dat medicinale cannabis alleen wordt verstrekt aan mensen bij wie andere behandelmethoden niet werken. Dat laatste zou Hazekamp graag zien veranderen. “Als cannabis breder wordt geaccepteerd, hoeven patiënten misschien niet meer zolang te wachten op een recept. Ze kunnen het middel dan meteen gaan gebruiken, als volwaardig alternatief. Mensen hoeven er niet meer stiekem over te doen. De vraag zal dan toenemen, en de prijs kan dalen.” Om deze boodschap te verspreiden, reist Hazekamp nu door het land met collega’s van het Bureau Medicinale Cannabis. Hij spreekt met patiënten, apothekers, verzekeraars en beleidsmakers en hoopt hen met zijn wetenschappelijke gegevens te overtuigen. “Ik kan nu
feiten laten zien die elke discussie uitsluiten”, aldus de onderzoeker, die inmiddels zijn eigen bedrijf heeft opgericht om zijn werk voort te zetten. “Het gaat weliswaar om plantenmateriaal in een potje, en niet om een keurig herkenbaar pilletje zoals de mensen dat gewend
zijn, maar het is wel degelijk een werkzaam medicijn dat de levens van veel mensen kan verbeteren.” Nienke Beintema
Marihuana, the “assassin of youth”, is een film uit 1937 over de negatieve effecten van cannabis. Dit beeld speelt nog steeds een belangrijke rol in de discussie over cannabis als medicijn.
19
20
Hermen Jan Hupkes (1981) studeerde zowel wiskunde als natuurkunde in Leiden. Volgende jaar hoopt hij aan het Mathematisch Instituut bij prof.dr. Sjoerd Verduyn Lunel te promoveren aan differentiaalvergelijkingen van de gemengde soort.
HERMEN JAN HUPKES MATHEMATISCH INSTITUUT (MI)
DE LOL VAN HET DICHTTIMMEREN
Altijd gedacht dat de wiskunde een doortimmerd bouwwerk was. Dat degenen die eraan werken, bezig zijn met de volgende verdieping of metselen aan een nieuwe vleugel. Binnen is het schoon en strak, geen schroefje zit verkeerd. Maar in kamer 211 van het Snelliusgebouw, hoe licht en gerieflijk ook, is Hermen Jan Hupkes bezig aan een schemerdonkere zaal die nog helemaal in ruwe staat verkeert. Wiskundigen liepen honderden jaren met een boog om die zaal heen. Differentiaalvergelijkingen van de gemengde soort – zo heet de wiskunde die in die zaal rondwaart – waren gewoon te moeilijk. De carrière van een wiskundig onderzoeker voldoet zelf misschien ook wel aan een differentiaalvergelijking van de gemengde soort, maar dan een heel ingewikkelde. Hermen Jan Hupkes begon in Leiden bijvoorbeeld als student natuurkunde. Voor die studie krijg je in het begin dezelfde wiskunde als wiskundestudenten; later gaan wis- en natuurkundigen sterk uiteenlopen. “Ik had een paar heel goede vrienden onder de wiskundestudenten, dus ik ging ook hun colleges lopen. Zodoende heb ik allebei de studies gedaan, in ongeveer dezelfde periode.” “Ik merkte dat mijn hart eigenlijk bij de wiskunde lag. Ik werd veel meer getrokken door de wiskundige formules zelf dan door de natuurkunde die je ermee beschrijft. Bij tentamens natuurkunde had je opdrachten waarbij gezegd werd: gebruik je natuurkundige intuïtie. Dat gaf bij mij altijd een probleem.”
Zijn afstudeeronderzoek natuurkunde was dan ook sterk wiskundig van aard: hij verdiepte zich in kwantumcommunicatie. Dat is het idee dat je losse lichtdeeltjes of elektronen kunt gebruiken voor het overbrengen van berichten. Dergelijke kleine deeltjes hebben een intieme, maar ingewikkelde verhouding tot het verschijnsel ‘informatie’. Op die schaal kun je hun eigenschappen per definitie nooit allemaal precies meten. Dat maakt het mogelijk om de informatie die je ze meegeeft, onkraakbaar te coderen. “Het was helemaal theoretisch, het soort apparaten dat je daarbij gebruikt heb ik niet aangeraakt.”
Verborgen onderliggende structuren Bij wiskunde, vindt Hupkes, kan hij zijn creativiteit beter kwijt dan bij natuurkunde: “Je moet verborgen onderliggende structuren uit de vergelijkingen naar boven halen. Zodat je er heel algemene dingen over kunt zeggen. Maar het is niet zo dat je meteen op zoek bent naar ‘schoonheid’. Elegantie is vaak iets dat je achteraf pas ziet. Als je bezig bent, gebruik je juist meer brute methoden. Je moet vaak vieze handen maken.” Maar als het lukt dan is er “de lol van het dingen dichttimmeren”, zegt hij. “Uiteindelijk moet je honderd procent achter datgene kunnen staan wat je opschrijft.” “In de natuurkunde of economie nemen ze bij hun berekeningen snel genoegen met iets dat werkt, ook al begrijpen ze die wiskunde
21
HERMEN JAN HUPKES nog niet volledig. Ze hebben de intuïtie dat het wel klopt. Bij het nagaan van de heel knappe dingen die ze daarbij bedenken, loopt de wiskunde vaak tien jaar achterop. Dat geeft niet, tijdens het dichttimmeren ontstaan vaak uit de wiskundige benadering van het probleem weer nieuwe inzichten. Dat leidt tot interessante wisselwerkingen.”
Verwaarloosde zaal
22
Een promotieplek bij wiskunde was een logisch vervolg op zijn studie. En dat was het moment dat hij de verwaarloosde zaal in moest waar de differentiaalvergelijkingen van de gemengde soort verblijven. De hoogleraar die hem aannam, is een van de pioniers op dat gebied. Begin 2008 denkt Hupkes klaar te zijn met zijn proefschrift. Hij heeft een aantal verschijnselen onderzocht waarvoor je differentiaalvergelijkingen van de gemengde soort nodig blijkt te hebben. Natuurkundigen willen bijvoorbeeld begrijpen wat er allemaal gebeurt in vaste stoffen waarin de atomen met een vaste regelmaat verdeeld zijn: kristallen. Het reizen van een geluidsgolf door zo’n kristal voldoet precies aan het soort vergelijkingen waar Hupkes mee werkt. Ook biologen komen differentiaalvergelijkingen van de gemengde soort tegen als ze willen begrijpen hoe onze zenuwen informatie van vingertop naar hersenen en van hersenen naar spier brengen. Zenuwbanen bestaan uit stukjes weefsel waar elektrische signalen doorheen gaan, op regelmatige afstanden onderbroken door een knooppunt waar die signalen even opgehouden worden. Wat er op ieder knooppunt gebeurt, hangt af van wat er voor en achter gebeurt. En dat vertaalt zich in een differentiaalvergelijking van de gemengde soort. Voor een wiskundige is het helemaal niet vreemd om bij zo’n zenuwbaan met zijn knooppunten op regelmatige afstanden meteen te denken: dit is een kristal, maar dan ééndimensionaal. Zelf werkt Hupkes onder andere samen met economen. “Die maken modellen van de bewegingen van geld in de economie: de kapitaalmarkt. Daarbij hebben ze een heel simpele aanname: iedereen wil
zijn totale levensgenot maximaliseren. En genot, dat is dan consumptie, nu of later. Ze willen weten: waar komen nu al die fluctuaties en golfbewegingen in de economie vandaan?”
Constante oplossing Een van de technieken die Hupkes uitgebreid heeft onderzocht, is eerst te kijken of er een ‘constante oplossing’ is, waarbij het hele systeem aan de differentiaalvergelijking voldoet, maar wel op een of andere manier in rust is: een constante rente, of een heel regelmatig trillend kristal. Vanuit die oplossing kijkt hij dan wat er gebeurt als je de variabelen een heel klein beetje laat veranderen. Zo lang die verandering maar klein is, kun je de vergelijking exact oplossen en dus precies voorspellen hoe het systeem dat je onderzoekt zich gedraagt ‘in de buurt van het evenwicht’. Over zijn proefschrift deed hij vier jaar, maar in die korte tijd kon hij merken dat hij pionier was in een vakgebied dat opkwam. “In 2006 was ik nog op een conferentie de enige met een praatje over dit onderwerp. Nu niet meer. Er zijn allerlei groepen bezig, onder andere in de VS, Engeland, Duitsland en elders in Nederland.” Bij een van die buitenlandse groepen zal hij vermoedelijk de volgende stap in zijn loopbaan zetten, als postdoc. Hij hoopt erg op een plek in Engeland waar hij op gesolliciteerd heeft. “Daar heb ik een eigen onderzoeksvoorstel ingediend over deze vergelijkingen. In december hoor ik of een subsidieaanvraag daarvoor gehonoreerd wordt. Dat zou wel heel mooi zijn: een baan waar ik mijn eigen plan mag trekken.” Bas den Hond
FIGUUR A
Knopen van Ranvier
Zenuwbanen worden omringd door een omhulsel van myeline, dat op regelmatige afstand kleine gaten bevat. Deze gaten worden knopen van Ranvier genoemd en zijn nodig om de elektrische signalen te versterken. Tussen deze knopen kan zo’n signaal relatief snel bewegen, zodat het lijkt alsof de stroom van knoop naar knoop springt.
Myeline
FIGUUR B
Een golf die in een rechte lijn door een kristal reist, zal merken dat zijn perceptie van de omgeving afhangt van de hoek waaronder hij beweegt. Als je deze eigenschap wilt behouden in de achterliggende wiskunde, krijg je onverbiddelijk te maken met gemengde differentiaalvergelijkingen.
�
0.2
FIGUUR C
0.1
-0.2
-0.1
0.1 -0.1
-0.2
0.2
Hoekafhankelijkheid van de golfsnelheid voor vier discrete reactie-diffusiemodellen. Voor elk punt op de grafieken geldt dat de lengte van de lijn tussen de oorsprong en dit punt overeenkomt met de snelheid van de golf, terwijl de hoek t.o.v. de horizontaal overeenkomt met de hoek in Figuur B.
23
24
Spiegel van de Gemini South-telescoop in Chili, in de winter van 2005/2006 gedurende acht nachten door Mariska Kriek gebruikt.
Mariska Kriek (Leiden, 1979) deed in 1997 eindexamen VWO aan het Adelbert College in Wassenaar, en begon daarna aan een studie sterrenkunde aan de Universiteit Leiden, waar ze in augustus 2003 haar doctoraalbul behaalde. Van 2003 tot 2007 deed ze promotieonderzoek naar de evolutie van sterrenstelsels in het jonge heelal.
MARISKA KRIEK STERREWACHT LEIDEN (STRW)
POSTNATALE STERRENSTELSELS
De natuurkundedocent op de middelbare school was niet bepaald doorslaggevend voor de carrière van Mariska Kriek. “Ik zou geen natuurkunde in mijn pakket nemen als ik jou was”, luidde zijn advies toen Mariska in 3 VWO zat. Dat deed ze natuurlijk wél, met uiteindelijk een 9 op haar eindlijst. Sinds 1 oktober is de Leidse astronome H.N. Russell Fellow aan Princeton University. Specialisme: de evolutie van sterrenstelsels in het jonge heelal. “Hawaii is mooi,” zegt Mariska Kriek (28), “maar Paranal is echt het bizarst. Er is daar gewoon helemaal niks.” Voor haar promotieonderzoek heeft ze de halve wereld afgereisd, en alle grote internationale sterrenwachten bezocht. Op de bergtop Cerro Paranal, in het noorden van Chili, staan de vier reuzenkijkers van de Europese Very Large Telescope, midden in een kurkdroog Marslandschap. Een van de beste plekken ter wereld om verre sterrenstelsels aan de rand van het waarneembare heelal te bestuderen. Na haar promotie, op 26 september 2007 in Leiden, is Kriek naar Princeton vertrokken, aan de oostkust van de Verenigde Staten, waar ze een postdoc-aanstelling voor drie jaar heeft. “Ik bouw hier voort op de resultaten die ik in mijn proefschrift heb beschreven,” zegt ze, “maar zo verschrikkelijk veel waarnemen als de afgelopen jaren is er gelukkig niet meer bij. Ik hoef niet meer zo nodig in twintig verschillende bedden te slapen voordat ik weer een keer thuis ben.”
Talent De fascinatie voor de kosmos heeft Kriek niet van huis uit meegekregen. Op de middelbare school in Wassenaar bleek ze gewoon een talent voor bètavakken te hebben, maar ze stond niet ’s nachts met een eigen telescoopje in de achtertuin. “Natuurlijk wist ik van het bestaan van de Leidse Sterrewacht,” vertelt ze, “maar eigenlijk wilde ik architect worden.” Dat ze in 1997 toch voor de sterrenkunde koos, kwam vooral doordat dat een interessante studie was waarmee je altijd wel een mooie baan kunt vinden. “Maar ik had zeker niet het idee om daar in door te gaan,” zegt Kriek. “Ik wilde het bedrijfsleven of de consultancy in.” Tijdens haar masterstudie koos ze dan ook voor de Science Based Business-variant. “Maar al na drie maanden bleek ik het echte sterrenkundige onderzoek veel leuker te vinden, en al snel besloot ik om toch te promoveren.” Het waren vooral de grote onopgeloste problemen in de kosmologie die tot haar verbeelding spraken: de structuur en de evolutie van het heelal als geheel. “Op dat gebied valt gewoon nog heel veel te ontdekken.” Kosmologie heeft af en toe wel wat weg van geologie. Net zoals geologen oude aardlagen bestuderen om de geschiedenis van onze planeet te reconstrueren, zo onderzoeken kosmologen oud licht om de evolutie van het heelal te achterhalen. Licht van sterrenstelsels
25
MARISKA KRIEK uit de prille jeugd van het heelal, dat vele miljarden jaren onderweg is geweest voordat het op aarde aankwam. Hoe verder je kijkt, des te dieper dring je door in de kosmische prehistorie. Nadeel: het bestuderen van die extreem ver verwijderde stelsels lukt alleen met de allergrootste telescopen ter wereld.
Jong-volwassen sterrenstelsels
26
Het meest opzienbarende resultaat van Krieks promotieonderzoek is dat er kort na de oerknal een enorme geboortegolf van nieuwe sterren moet hebben plaatsgevonden. Dat blijkt uit het feit dat veel sterrenstelsels op zo’n elf miljard lichtjaar afstand voornamelijk uit oude sterren bestaan. Die verre stelsels worden waargenomen zoals ze er slechts tweeëneenhalf miljard jaar na de oerknal uitzagen. Ondanks die jeugdige leeftijd komt er in de stelsels vrijwel geen vorming van nieuwe sterren meer voor. “Wij toonden als eersten aan dat stervorming in veel sterrenstelsels al tot stilstand was gekomen toen het heelal nog maar twintig procent van de huidige leeftijd had”, aldus een trotse Kriek, die het onderzoek uitvoerde samen met haar promotoren Marijn Franx in Leiden en Pieter van Dokkum van Yale University in New Have, Connecticut. “Dat betekent dat er in een enorm tempo heel veel sterren moeten zijn ontstaan toen het heelal nog heel jong was.” Een vrij onverwacht resultaat, dat door veel mensen werd opgepikt, aldus Kriek. Vooral door theoretici: de waarnemingen boden de mogelijkheid om de bestaande theoretische modellen verder te verfijnen en aan te passen, wat dan ook prompt gebeurde. Overigens is niet gezegd dat die jong-volwassen sterrenstelsels voorgoed ‘uitgedoofd’ blijven. “Er kan nog heel veel gebeuren,” zegt Kriek, “bijvoorbeeld wanneer zulke stelsels met andere stelsels botsen en er een nieuwe geboortegolf van sterren plaatsvindt.”
Air miles Kriek kijkt met gemengde gevoelens terug op haar leven als promovendus. Natuurlijk was het prachtig om met de eerste generatie nabij-infraroodspectrografen te werken op de grootste telescopen ter wereld. Maar in het begin zat het weer heel erg tegen, zowel in Chili
als op Hawaii. “Daar komt bij dat je er pas in de loop van de tijd achter komt wat nu echt de belangrijkste onderzoeksvragen zijn”, zegt ze. “De meeste waarnemingsgegevens zijn pas verzameld toen ik al tweeëneenhalf jaar bezig was.” Met name in de winter 2005/2006 vloog Kriek van de ene grote sterrenwacht naar de andere. “Die winter had ik in totaal zes nachten op de Very Large Telescope, acht nachten op Gemini South [ook in Chili], en ook nog eens twee nachten op de Amerikaanse Kecktelescoop op Hawaii.” Alles bij elkaar heeft ze in drie jaar tijd ruim veertig nachten waargenomen. “Op zo’n grote telescoop kost dat een slordige vijftigduizend euro per nacht, dus het verzamelen van al die waarnemingen kostte heel wat meer dan mijn salaris.” Bijkomend voordeel was wel dat ze heel wat air miles heeft gespaard, lacht Kriek. Afgelopen voorjaar, toen het meeste werk aan het proefschrift achter de rug was, heeft ze zichzelf en een goede vriendin dan ook getrakteerd op een prachtige vakantie naar Tanzania. Wat die verre sterrenstelsels en de vroege evolutie van het heelal betreft heeft Kriek absoluut niet het idee dat de problemen nu allemaal zijn opgelost. “Er zitten nog wel veel impliciete aannames in onze analyse”, vertelt ze. “In de toekomst willen we onder andere veel directere massabepalingen van die sterrenstelsels verrichten. En natuurlijk wil je ook weten hoe die stelsels verder evolueren. Hopelijk kunnen we daarvoor over een paar jaar gebruik maken van de nieuwe James Webb Space Telescope.” Een loopbaan in de consultancy is voor Mariska Kriek geen optie meer. “Je verdient dan misschien wel beter, maar ik heb nu gewoon een prachtbaan.” Govert Schilling
27
28
Niels Raes (1971) studeerde biologie aan de Universiteit Utrecht en specialiseerde zich in tropische ecologie en tropische taxonomie, dus tot iemand met verstand van tropische soorten en relaties tussen die soorten. Na afstuderen was hij enige tijd werkzaam als computerdocent en had toen onder meer te maken met de bouw van grote databases. Intussen ging hij tweemaal naar Zuid-Amerika voor plantenonderzoek, eenmaal naar voormalig Brits Guyana en eenmaal naar Bolivia. Daarna solliciteerde hij met succes op een promotieplaats in Leiden bij het Nationaal Herbarium Nederland, waar zowel zijn plantenkennis als zijn computerervaring uitstekend van pas komen.
NIELS RAES NATIONAAL HERBARIUM NEDERLAND (NHN)
VERSPREIDING IN KAART GEBRACHT MET STATISTIEK
“Ik had nooit gedacht dat ik als ecoloog nog eens zo diep in de statistiek zou duiken”, zegt Niels Raes. “Maar ik had geen keus, ik moest wel.” Hij had als promovendus de taak om de plantenbiodiversiteit van Borneo in kaart te brengen: waar groeien de meeste soorten, waar groeien de bijzondere soorten? Hij moest een nieuwe statistische methode ontwikkelen om zijn opdracht te kunnen uitvoeren. En juist daarom is hij nu genomineerd als Ontdekker van het Jaar 2007. Maar liefst 166.000 herbariumvellen, elk met één plant, vormden het uitgangspunt om de biodiversiteit van Borneo in kaart te brengen. Vooral Leidse plantkundigen, die van oudsher veel in Zuidoost Azië hebben gewerkt, hebben die enorme collectie bijeengebracht. Maar wat is enorm? Borneo is bijna twintig keer zo groot als Nederland. Slechts een klein deel is door botanici bezocht, zo heeft Raes op een kaart aangegeven: “Ik heb Borneo verdeeld in blokken van tien bij tien kilometer. Ongeveer een vijfde van die blokken is onderzocht, de rest is botanisch gezien nog blanco gebied.” Daarom zitten bovendien nog lang niet alle plantensoorten van Borneo in de verzameling. Je kunt dus niet rechtstreeks uit de collectie afleiden waar de biodiversiteit hoog is. Van die biodiversiteit bestonden wel schattingen. Het Wereld Natuurfonds had bijvoorbeeld een kaart gemaakt waarop was aangegeven waar specialisten dachten dat de biodiversiteit hoog was. Maar Raes
wilde het netjes doen: uitzoeken waar de tot dusver bekende soorten precies kunnen groeien en uitgaande van die afzonderlijke soorten het biodiversiteitsplaatje opbouwen. Hij nam alleen de soorten waarvan de naam onomstreden was en die op minstens vijf plaatsen waren gevonden. De gegevens van die planten waren al digitaal beschikbaar. “Maar ik moest nog wel de geografische coördinaten van de vindplaatsen opzoeken en invoeren. Dat was al een klus op zich”, vertelt Raes. Hij hield ruim vijftigduizend exemplaren over van bijna 2300 soorten. Het was een beetje vreemd om als bioloog met alleen digitale gegevens te werken. “Gelukkig kon ik een keer mee op expeditie naar Borneo, om toch een beetje voeling te krijgen met deze planten en de plaats waar ze groeien.”
Onzinkaart Van 2300 soorten met gemiddeld pakweg vijftien vindplaatsen wilde Raes dus verspreidingskaarten maken. Sinds een jaar of tien gebruiken biologen daar een bepaalde methode voor. Ze kijken hoe de milieufactoren hoogte, klimaat en bodem voor vindplaatsen van een soort overeenkomen. Voor heel Borneo zijn die milieugegevens beschikbaar. Vervolgens maken ze een kaart waarop de gebieden met die omstandigheden – een bepaalde range van hoogte, klimaat en bodemgesteldheid – als verspreidingsgebied van de soort zijn ingetekend.
29
NIELS RAES
30
Maar die verspreidingskaart is nog maar hypothetisch. De gevonden overeenkomst in milieufactoren kan namelijk toeval zijn. Om te zien hoe betrouwbaar de kaart is, doen de onderzoekers een test. Ze nemen een aantal vindplaatsen van de soort (die hadden ze van tevoren al achtergehouden en niet gebruikt om de verspreidingskaart te maken) en een groot aantal plaatsen waar hij niet gevonden is en waar de plant als afwezig wordt bestempeld. Vervolgens toetsen ze in hoeverre de verspreidingskaart de aanwezigheid en afwezigheid correct voorspelt. En dat mag eigenlijk niet, stelt Raes. Want plaatsen waar de plantensoort niet is gevonden, zijn niet per se plaatsen waar hij niet voorkomt. Het kunnen ook plaatsen zijn waar domweg niet is gekeken, maar waar de soort best kan groeien. De test is dan fout. Onderzoekers wisten dat ook wel, maar ze stapten over dat bezwaar heen omdat ze geen alternatief hadden. Maar Raes schrok toen hij eens per ongeluk de verkeerde vindplaatscoördinaten had ingevuld om het verspreidingsgebied van een soort te bepalen. De kaart die dat opleverde was natuurlijk onzin, maar de test gaf toch aan dat hij heel betrouwbaar was. Deze fout was wel leerzaam: hij bracht Raes op het idee hoe hij de test moest aanpassen. “Het komt erop neer dat ik per soort een echte verspreidingskaart maak op grond van de vindplaatsen én 999 kaarten waarbij ik die vindplaatsen vervang door een even groot aantal toevallig getrokken plaatsen. Dan test ik al die duizend kaarten. Alleen als de echte verspreidingskaart goed door die test komt vergeleken met die 999 nepkaarten, kan ik concluderen dat de verspreidingskaart voor een soort betrouwbaar is.” Makkelijk gezegd, maar het was een enorme hoeveelheid werk die het uiterste vergde van zijn computervermogen.
Bijzondere moerassen Van de 2300 soorten bleven er ruim 1400 over waarvan de gemaakte verspreidingskaart bruikbaar bleek. Hoewel dat maar een deel is van de plantensoorten van Borneo (naar schatting negen à vijfentwintig duizend), is het voldoende om een redelijk nauwkeurige biodiversiteitskaart te maken.
En zo heeft Raes nu inderdaad een kaart waarop de plantenbiodiversiteit van Borneo is aangegeven. Hij komt voor een groot deel overeen met de kaart die het Wereld Natuurfonds al had, met de meest soortenrijke gebieden in het noordelijke puntje van Borneo. Maar Raes vond nog een paar nieuwe gebieden met een hoge diversiteit aan planten: op de bergen in het binnenland en een paar stukjes in het zuiden van het eiland. Daarnaast blijken er moerasgebieden te zijn die niet de meeste soorten bevatten, maar wel bijzondere soorten die verder nergens voorkomen. De statistische methode die hij heeft ontwikkeld is breed toepasbaar: je kunt er de betrouwbaarheid mee bepalen van alle verspreidingskaarten die op grond van onvolledige gegevens gemaakt worden. In Nederland zouden zulke kaarten bijvoorbeeld nuttig zijn voor beschermde soorten, zodat planners van bouwprojecten er rekening mee kunnen houden. Willy van Strien
31
Door overeenkomsten in milieufactoren (temperatuur, hoogte, neerslag etc.) op de locaties waar individuen van een soort ( ) zijn gevonden te identificeren en interpoleren (links), is het mogelijk om een voorspellende verspreidingskaart te maken (rechts).
32
Merlijn van Spengen studeerde micro-elektronica en micromechanica in Eindhoven. Bij het Interuniversitair Micro-Elektronica Centrum IMEC in Leuven ontwierp hij vervolgens MEMS, en deed hij promotieonderzoek naar de betrouwbaarheid daarvan. Met een Veni-beurs van de Stichting voor de Technische Wetenschappen (STW) onderzoekt hij nu wrijving op MEMS-schaal bij de onderzoeksgroep Interface Physics van het Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde (LION), onder leiding van prof.dr. Joost Frenken.
MERLIJN VAN SPENGEN LEIDS INSTITUUT VOOR ONDERZOEK IN DE NATUURKUNDE (LION)
MICROVERSTERKER VOOR RUIGE OMSTANDIGHEDEN
“Het idee was er ineens. Oh ja, dacht ik, zo moet het”, vertelt Merlijn van Spengen. De klassieke eureka-ervaring van de natuurkundige leidde tot de allereerste micromechanische versterker van elektrische signalen, een minuscuul chip-onderdeeltje van 0,3 millimeter lang, en met een hoogte van maar enkele micrometers. “Een mechanische versterker heeft een paar grote voordelen”, legt Van Spengen uit. Beter dan de nu gebruikte halfgeleidertransistoren is hij bestand tegen kou, hitte en radio-actieve straling. Dat zijn handige eigenschappen als je ruige omstandigheden in de ruimtevaart, kernreactoren, hete ovens of reactorvaten moet overleven, of juist in extreem koude natuurkundige experimenten moet functioneren. Bovendien is het ruisniveau potentieel veel lager dan wat met transistoren haalbaar is. Tot slot is hij beter en goedkoper te combineren met sensoren gebaseerd op MEMS-technologie. MEMS staat voor Micro-Electro-Mechanical Systems, het bouwen van machines op de schaal van micrometers (een micrometer is een duizendste millimeter). Al vanaf de jaren tachtig zijn er pogingen gedaan om op die schaal tandwielen, asjes en andere machinerie te maken; die hebben echter last van de wrijving, die op die schaal relatief enorm is. Van Spengen heeft een Veni-beurs van STW om wrijving op MEMS-schaal te onderzoeken. De versterker was eigenlijk een toevallig zijpad van deze hoofdlijn,
vertelt hij. “Ik was een MEMS-chip aan het ontwerpen voor een apparaatje om zulke wrijvingen te meten. Dat is nogal veel dezelfde vormen tekenen, dus dwaalden mijn gedachten af.” Toen hij zijn ingeving kreeg, kon Van Spengen die in een moeite door op een ongebruikt hoekje van de chip uitproberen. Het werkte, eigenlijk meteen. Van Spengen: “Als je mij in januari hadden verteld dat ik in oktober al zo ver zou zijn, had ik het niet geloofd”.
Microbruggetje De vinding zou je kunnen omschrijven als een buigbaar microbruggetje. Dat hangt boven drie elektrodes, vierkante plaatjes op het chip-oppervlak waarop een elektrische spanning gezet kan worden. Als dat gebeurt, trekt de elektrische lading het bruggetje aan, en klapt het naar beneden. Twee kleine uitstulpingen aan de onderkant voorkomen dat de brug helemaal de ondergrond raakt. De afstand tussen de brug en de andere elektrodes wordt bij het inklappen veel kleiner, waardoor hoogfrequente signalen deze kleine afstand opeens kunnen overbruggen (voor kenners: de brug gaat als een kleine condensator werken). “Dus als hij aangeschakeld staat, laat hij hoogfrequente spanningen door, anders niet”, formuleert Van Spengen het halve eieren eten. Half, omdat de microbrug op zichzelf alleen een digitale versterker is: onder een bepaald ingangs-
33
MERLIJN VAN SPENGEN niveau laat hij niets door, daarboven alles. Digitale versterkers zijn handig als schakelaar, maar voor een analoge versterker is een glijdende schaal van tussenstanden nodig. Hier bracht Van Spengens achtergrond uitkomst. “Ik heb elektrotechniek gestudeerd in Eindhoven, en daar was ik al d-klasse-versterkers tegengekomen.” Dat zijn zware versterkers, die bijvoorbeeld in disco’s en bij live-concerten gebruikt worden. Ze werken op basis van transistoren die digitaal geschakeld worden: alleen aan en uit. De truc is om een hoogfrequent vergelijkingssignaal bij het te versterken signaal op te tellen, en het geheel dan digitaal te versterken. Als er geen ingangssignaal is, zal het geleidelijk veranderende vergelijkingssignaal door de digitale versterker vertaald worden in een regelmatig afwisselend aan-uit-aan-uit-signaal. Maar als er wel een positief ingangssignaal is, zal het gecombineerde signaal de aandrempel eerder bereiken, en duurt de aan-toestand dus langer dan de uit-toestand. Andersom geldt dat een negatief ingangssignaal juist de uit-perioden langer maakt.
34 Zo wordt het inkomende signaal vertaald in een blokgolf, waarbij de lengte van de aan-blokken afhankelijk is van de ingangssignaal. Met een eenvoudig frequentiefilter, dat alleen lage frequenties doorlaat, is zo’n signaal gemakkelijk om te zetten in het oorspronkelijke, maar dan versterkt. Met een paar minieme aanpassingen was dit idee ook voor zijn inklappende-brugschakelaar te gebruiken, realiseerde Van Spengen zich. “De eerste mechanisch versterkte sinusgolf in de wereld”, pronkt het bijschrift bij een foto van een oscilloscoop die de originele en de versterkte vorm vertoont. De versterkingsfactor is vijf.
Combineerbaarheid Van Spengen werkt nu aan een geoptimaliseerde versie. “Daarin gebruiken we alles wat we tot nu toe geleerd hebben”, zegt hij. Niet alleen de versterkingsfactor kan nog veel hoger, denkt de onderzoeker, ook het ruisniveau kan lager. “Dat is nu al heel goed, en je kunt het vrij eenvoudig even goed maken als bij de beste transistoren, of zelfs beter. Dat is heel gunstig voor gevoelige meetapparatuur.” Waar halfgeleiders inherent last hebben van veel
verschillende ruisbronnen, is de mechanische versterker alleen onderhevig aan thermische ruis, ofwel het trillen van de atomen door de warmte. Het vijfde voordeel, na hitte-, kou-, en stralingsbestendigheid, en lage ruis, is de combineerbaarheid van de mechanische versterker met andere MEMS-componenten. Dat zijn vaak sensoren, micromachientjes die een druk meten, of een versnelling. Voor een versterking van het signaal is dan een tweede, reguliere elektronische chip met transistoren nodig. Die extra chip levert extra kosten op, en soms extra ruis bij de overdracht van het signaal. De mechanische versterker zou gewoon op dezelfde chip als de sensor gezet kunnen worden. “Als maar een van de vijf toepassingen doorbreekt, is het al geweldig”, zegt Van Spengen. De onderzoeker heeft inmiddels een patent aangevraagd, en er zijn gesprekken met geïnteresseerde bedrijven. Ook is een artikel in voorbereiding in een, niet nader te noemen, toptijdschrift. Maar of hij als patenthouder dan rijk wordt van een doorbraak, weet de onderzoeker eigenlijk niet. “Daar heb ik niet zo bij stilgestaan,” bekent hij, “ik vind het vooral een heel cool ding.” Bruno van Wayenburg
FIGUUR A
Elektronenmicroscopische foto van de ‘MEMSamp’.
FIGUUR B
MEMS onder de microscoop in het probestation: elektrisch contact wordt gemaakt met de positioneerbare naalden.
FIGUUR C
Principe van de micromechanische versterker.
35
36
Ashraf Yassen (1977) studeerde farmacie in Utrecht. Het apothekersexamen behaalde hij in 2006. Tussen 2002-2006 werkte hij tevens als onderzoeker in opleiding bij de sectie Farmacologie van het Leiden/Amsterdam Center for Drug Research. Zijn onderzoek naar mechanistische PK-PD modellering voerde hij uit in samenwerking met de afdeling Anesthesiologie van het Leids Universitair Medisch Centrum. Daar is hij sinds zijn promotie in oktober 2006 werkzaam als wetenschappelijk onderzoeker. In 2007 ontving hij een Graduate Student Award van de American Association of Pharmaceutical Scientists.
ASHRAF YASSEN LEIDEN/AMSTERDAM CENTER FOR DRUG RESEARCH (LACDR)
IDEALE PIJNSTILLER GEMODELLEERD
Morfine en andere opiaten zijn de belangrijkste pijnstillers tegen postoperatieve en ernstige acute of chronische pijn. Ze hebben helaas min of meer ernstige, soms zelfs dodelijke bijwerkingen. Ashraf Yassen ontwikkelde een computermodel dat snel en nauwkeurig het pijnstillende effect en de bijwerkingen van nieuwe opiaten kan voorspellen. “De belangrijkste bijwerkingen van opiaten als morfine zijn misselijkheid, braken, jeuk, constipatie, duizeligheid en ademhalingsdepressie. Hinderlijk voor patiënten, maar niet levensbedreigend en waar gewenst symptomatisch te behandelen. Ademhalingsdepressie heeft wel potentieel fatale gevolgen”, vertelt Ashraf Yassen, als wetenschappelijk onderzoeker inmiddels werkzaam op de afdeling Anesthesiologie van het Leids Universitair Medisch Centrum (LUMC). Het ademhalingsdepressieve effect kan al binnen enkele minuten optreden, maar ook pas na enkele uren, soms met dodelijke afloop. Het effect treedt op doordat het opiaat de hersenstam lamlegt die de ademhaling regelt. De patiënt krijgt geen prikkel meer om te ademen. Artsen kennen dit effect en geven daarom liever niet teveel morfine, met als resultaat dat de patiënt pijn lijdt. Het is daarom van groot belang om nieuwe opiaten te ontwikkelen waarbij afdoende pijnstilling en geen of minder ademhalingsdepressie beter met elkaar in balans zijn. Om een effectieve en veilige pijnstiller te ontwikkelen, is het van
belang de werking van nieuwe opiaten snel en nauwkeurig te kunnen voorspellen. Werkingsduur en effecten van opiaten worden bepaald door de farmacokinetische en farmacodynamische eigenschappen van het toegediende opiaat te bepalen. De farmacokinetiek (PK) beschrijft de wijze waarop het werkzame bestanddeel uit een geneesmiddel door het lichaam wordt geabsorbeerd, verdeeld, afgebroken en weer uitgescheiden. De farmacodynamiek (PD) beschrijft de manier waarop het werkzame bestanddeel uit het geneesmiddel op het lichaam werkt. “Door de PK-modellen aan de PD-modellen te koppelen, kunnen we met iedere verandering in de geneesmiddelconcentratie de verandering in farmacologisch effect verklaren”, vertelt Yassen.
Mechanistische modellen Er bestaan twee soorten PK-PD modellen; de beschrijvende empirische en de voorspellende mechanistische modellen. Empirische modellen zijn nauwelijks bruikbaar door de geringe voorspellende waarde. Mechanistische modellen zijn daarentegen wel voorspellend omdat ze een wiskundige beschrijving geven van de biologische en farmacologische processen die ten grondslag liggen aan de onderliggende werkingsmechanismen van geneesmiddelen. In feite analyseer je met deze modellen het functioneren van het biologische systeem. De mechanistische PK-PD modellen voorspellen het tijdsverloop
37
ASHRAF YASSEN van effect of bijwerking, gebaseerd op beschikbare fysiologische en farmacologische informatie over het werkingsmechanisme van een geneesmiddel of een groep geneesmiddelen. Juist de voorspellende, mechanistische PK-PD modellen hebben volgens Yassen de toekomst. “De afgelopen jaren is er al een verschuiving gaande van beschrijvende naar voorspellende modellen. Veel farmaceutische bedrijven willen PK-PD modellering toepassen. Ze zien namelijk dat er steeds meer geld naar R&D gaat, terwijl er steeds minder nieuwe geneesmiddelen uitkomen. De afdeling Farmacologie van professor Danhof van het LACDR speelt een vooraanstaande rol in het opleiden van mensen die met dergelijke modellen kunnen werken.”
Voorspellen
38
Yassen vergeleek voor zijn PK-PD model de twee farmacologisch sterk verschillende opiaten buprenorfine en fentanyl. “Beide middelen representeren de twee uiteinden van het spectrum. Door de relaties tussen beide vast te leggen, zijn via het PK-PD model werkzaamheid en bijwerkingen van elk opiaat te voorspellen”, aldus Yassen. Hoe lang het duurt voor een pijnstiller het brein bereikt, is per opiaat verschillend. Daarna kost het nog tijd voor het middel om zich over het breinweefsel te verspreiden en zich vervolgens te binden aan receptoren. Met het model is ook dit vertragende effect van een opiaat te voorspellen. Yassen: “Ons PK-PD model is juist vooral van nut voor de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen. Al in een heel vroeg stadium kunnen wij namelijk zeggen of een middel werkzaam en veilig is, of het betere eigenschappen heeft dan de bestaande en daardoor of het geneesmiddel het op de markt zal redden. Daar zit de grote uitdaging. Een farmaceutisch bedrijf kan bijvoorbeeld een breed scala aan opiaten ontwikkelen dat op buprenorfine lijkt en deze snel op hun werking laten testen.”
Continue veranderingen in de ademhaling De afdelingen Farmacologie en Anesthesiologie deden gezamenlijk onderzoek naar de ademhalingsdepressieve werking van opiaten in
proefdieren en mensen. Prof.dr. A. Dahan van de afdeling Anesthesiologie ontwikkelde hiervoor de dynamic end-tidal forcing techniek waarmee heel nauwkeurig en precies continue veranderingen in de ademhaling gemeten kunnen worden. Op de afdeling Farmacologie van het LACDR werd vervolgens een ademhalingsmodel voor ratten ontwikkeld dat bijna identiek is aan het humane model. Yassen: “In ons mechanistische model kunnen we de relevante biologische verschillen opschalen van proefdier naar de mens en daardoor direct het effect van het op proefdieren geteste geneesmiddel op de mens voorspellen. We hoeven dus alleen de geneesmiddelspecifieke eigenschappen te bepalen. Dit kan in proefdieren en zelfs mogelijk al in in vitro testsystemen.” De onderzoeker is optimistisch, en verwacht dat aan de hand van mechanistische PK-PD modellen in de toekomst veel nauwkeuriger is te voorspellen wat het effect van een nieuw geneesmiddel op de mens zal zijn. Ook kan dan direct de juiste, effectieve dosering worden vastgesteld. “Dat zal de ontwikkeling van geneesmiddelen veel sneller en efficiënter maken”, aldus Yassen.
Nieuwe doseringen Het onderzoek blijkt ook een klinische toepassing te hebben. Er is uiteraard een preciezere dosering van opiaten gewenst waarbij de pijnstillende werking optimaal is zonder dat levensbedreigende ademhalingsdepressies optreden. Indien ademhalingsdepressies optreden dan moet je deze altijd kunnen opheffen. In de anesthesiologie wordt daarvoor veelvuldig gebruikt gemaakt van naloxon. Tot nu werd er altijd gedacht dat optredende ademhalingsdepressie na toedoening van buprenorfine niet tegengegaan konden worden door dit middel. Als buprenorfine namelijk eenmaal op de receptor zit, dan komt het er heel moeilijk vanaf. Er is geen ruimte voor een ander geneesmiddel. Yassen: “Op basis van ons PK-PD model zijn echter nieuwe naloxon-doseringen opgesteld die wel bewerkstelligen dat optredende ademhalingsdepressies worden opgeheven.” Paul Schilperoord
FIGUUR A
Opstelling voor het gevoelig meten van veranderingen in ademhaling van proefdieren na toediening van opiaten.
39
ENGLISH SUMMARIES
Problem-solving by simulated mice by Joost Broekens
40
What do emotions have to do with learning processes? After some four years of research at the Leiden Institute of Advanced Computer Science, this is a problem Joost Broekens no longer needs to think long or hard about: ‘If you are in a positive mood, you think differently from when you are in a negative mood. If you feel positive, you think positive. You are more creative and you accept things more easily, whereas when you are in a negative mood, you become more critical. In addition, brain research has proven that rational decisions are less effective if there is any damage to the part of the brain where emotions are seated. In short, emotions promote the thinking and learning process.’ In the course of his research, Broekens has developed computer models at the cutting edge between psychology and computer science. These models should lead to self-learning systems: from vacuum cleaners to televisions.
(LIC) she has tried to resolve one of these final enigmas: how can it be that the protein Complex Photo System II from the photosynthetic system is such a strong oxidator that it can even split water? The oblique placement of one single amino acid from the protein complex in relation to chlorophyll appears to be the solution.
Cannabis as medication by Arno Hazekamp A number of the chronically sick benefit from using cannabis. They can obtain the drug from pharmacies, but coffee shops are cheaper. However, you can never be sure of exactly what you are getting. Arno Hazekamp, from the Department of Pharmacognosis at the Leiden Institute of Biology (IBL), has carried out research on the quality differences. He has developed a standard method of classifying cannabis and compared different methods of administering the drug. He is now traveling the country on a cannabis crusade.
Oblique amino acid apparently the secret of photosynthesis
The fun of solving maths problems
by Anna Diller
by Hermen Jan Hupkes
‘In order to be able to imitate natural photo systems successfully, it is more important than ever to resolve and understand the final mysteries of photosynthesis.’ This is proposition 7 of Anna Diller’s dissertation. In her PhD research at the Leiden Institute for Chemistry
Always thought maths was a series of well-built structures? That the people who work in this field are busy focusing on the next floor, or on building a new wing? Inside it is clean and orderly, with not even a screw out of place. But in room 211 of the Snellius Building,
no matter how light and comfortable it may be, Herman Jan Hupkes of the Mathematics Institute is working on a dim and dusky room which is still in a highly unfinished state. For the last hundred years, mathematicians have gone out of their way to avoid the place. Mixed differential equations - the type of maths which haunts this room – were simply too difficult. Hupkes is a pioneer in this complex field. He uses his equations to try to understand other fields, such as economic systems.
Post-natal star systems
Microamplifier for harsh environments by Merlijn van Spengen ‘The idea came to me in a flash. Oh yes, I thought, that’s how it’s meant to be,’ explains Merlijn van Spengen from the Leiden Institute for Physics Research (LION). This physicist’s classical ‘eureka’ moment led to the very first micromechanical amplifier of electrical signals, a miniscule chip element, 0.3 mm long, and just a few micrometres in height. A patent application has been filed. Several companies have expressed interest.
by Mariska Kriek
Ideal painkiller modelled The physics teacher at secondary school did not exactly encourage Mariska Kriek to take up astronomy as a career. ‘I wouldn’t take physics if I were you,’ he advised Mariska when she was in the third year of her pre-university studies. But she decided to ignore his advice, and achieved a 9 for physics on her final grade list. With effect from 1st October, this Leiden astronomer has been appointed H.N. Russell Fellow at Princeton University. Her specialist subject: the evolution of star systems in the young universe. ‘We were the first to show that star formation in many star systems had already come to a standstill when the universe was only 20% of its present age,’ says the proud Kriek referring to her PhD research at the Leiden Sterrewacht.
Plant distribution mapped using statistics by Niels Raes ‘I never thought that as an ecologist I would delve so deeply into statistics,’ says Niels Raes of the Netherlands National Herbarium (NHN). ‘But I had no choice; I had to.’ As part of his PhD research, he had the task of mapping the plant biodiversity of Borneo: ‘Where do the majority of species grow and where are the rare species found?’ He had to develop a new statistical method in order to be able to carry out his research. The statistical method which he developed has a broad range of applications: it can be used to determine the reliability of plant distribution maps which are compiled in the basis of incomplete information. In the Netherlands, such maps could be useful in the protection of rare plant species, for example, by giving planners of building projects information on where such plants grow so they can take them into account.
by Ashraf Yassen Morphine and other opiates are the most commonly used painkillers for post-operative and serious acute or chronic pain. Unfortunately, they can have serious, sometimes even fatal side-effects. Ashraf Yassen, at the Leiden/Amsterdam Center for Drug Research (LACDR), has developed a computer model which can rapidly and precisely predict the analgesic benefits and the side-effects of new opiates. The pharmaceutical industry is very interested in such predictive models. Yassen’s work has already been applied in the clinical environment.
41
SUGGESTIES VOOR ONDER DE KERSTBOOM
42
Voor een echt succesvol leven
Waartoe Wetenschap?
Oud? De duvel is oud!
Bas Haring
Frans Saris
ISBN 978 90 3883 1244
ISBN 978 90 8728 0222
Paulien Vermunt, Rudi Westendorp, Jos van den Broek
Freezing Physics: Heike Kamerlingh Onnes and the Quest for Cold
ISBN 978 90 8571 083 7
Dirk van Delft ISBN 978 90 6984 519 7
43
Colofon Tekst: Rob Smit, Elisabeth Meulenbroek, Nienke Beintema, Bas den Hond, Govert Schilling, Willy van Strien, Bruno van Wayenburg, Paul Schilperoord en Marilyn Hedges. Redactie: Anja de Nijs, Sjoerd Verduyn Lunel, Helma Reinders, Ron van Veen. Eindredactie: Jos van den Broek en Johan Detollenaere Foto’s: Hielco Kuipers. Druk: Drukkerij Groen, Leiden. Oplage: 14.500. Copyright: Faculteit der Wiskunde en Natuurwetenschappen, Universiteit Leiden, december 2007. Overname van de artikelen is toegestaan met juiste vermelding van de bron.
Faculteit der Wiskunde & Natuurwetenschappen
Faculteit W&N Postbus 9502 2300 RA Leiden
Gorlaeus Laboratoria Einsteinweg 55 2333 CC Leiden
Tel: 071 527 69 90 Fax: 071 527 69 97 science.leidenuniv.nl
