Description
Hoe is het leven ontstaan? En hoe werkt dat leven eigenlijk? Honderden burgers dienden hier vragen over in bij de Nationale Wetenschapsagenda. Het NWA-project ‘De limiet van groei: de uitdaging energie kwijt te raken’ onderzoekt hoe cellen hun eigen groei begrenzen én hoe kunst en ontwerp burgers kunnen betrekken bij dit soort fundamentele wetenschap.
Tekst: Sonja Knols-Jacobs Foto in de banner: Animatie van gistcellen, Shutterstock/Knorre
Foto Matthias Heinemann: RUG/Marina Guskov Foto Marinka Copier: HKU
Levende cellen zetten via chemische reacties voedsel om in energie en bouwstenen voor nieuwe cellen. Deze energie kunnen ze vervolgens gebruiken om bijvoorbeeld eiwitten of zelfs compleet nieuwe cellen aan te maken. Je zou verwachten dat cellen streven naar maximale vertering om zo efficiënt mogelijk met voedingsstoffen om te gaan. Bepaalde eencellige organismen, zoals gistcellen en bacteriën, verteren suikers echter vaak niet volledig en produceren restproducten zoals ethanol of melkzuur. Deze moleculen bevatten nog heel veel ongebruikte energie.
Beweeglijke katalysatoren
Systeembioloog Matthias Heinemann van de Rijksuniversiteit Groningen (RUG) is gefascineerd door de vraag waarom deze cellen zo inefficiënt omgaan met hun energiebronnen. In een eerder onderzoek ontdekte zijn groep dat er een natuurkundig fenomeen ten grondslag lijkt te liggen aan dit gedrag. ‘In hoeverre de cellen de suikers volledig kunnen verteren lijkt te worden beperkt door de snelheid waarmee ze de energie die eruit vrijkomt nuttig kunnen gebruiken,’ legt Heinemann uit. Bepaalde enzymen versnellen de chemische reactie waarmee de cellen suikers omzetten – specifieke eiwitten die als katalysator fungeren. ‘Ons idee is dat de vrijkomende energie ertoe kan leiden dat die enzymen te veel gaan bewegen, waardoor bepaalde processen in een cel niet meer goed werken.’
In het NWA-project gaan biologen, biochemici, chemici en natuurkundigen dit idee testen. ‘We beginnen met de gezuiverde versies van enkele bij de verteringsreactie betrokken eiwitten. Daarbij gaan we kijken hoe die enzymen precies de reactie helpen en of ze zich inderdaad gaan verplaatsen als er meer energie wordt geproduceerd. Hiervoor gebruiken we geavanceerde technieken zoals optische pincetten waarmee we de krachten en bewegingen van individuele enzymen kunnen analyseren. Tegelijk gaan we zowel met simulaties als met laboratoriumexperimenten kijken of een verhoogde mate van beweging er überhaupt voor zorgt dat suikers niet compleet worden afgebroken, maar dat er een tussenproduct als ethanol ontstaat.’
Voedingsindustrie
Hoewel de vraag die Heinemann zich stelt een heel fundamentele is, heeft zijn onderzoek zeker ook praktisch toepasbare kanten. ‘Als je tot op het diepste niveau snapt hoe cellen groeien en welk mechanisme bepaalt welke stoffen ze produceren onder welke omstandigheden, kun je dat proces ook gaan sturen.’ Dat is onder andere van belang voor de industriële biotechnologie, die bijvoorbeeld gisten gebruikt om suikers om te zetten in alcohol.
Als je tot op het diepste niveau snapt hoe cellen groeien en welk mechanisme bepaalt welke stoffen ze produceren onder welke omstandigheden, kun je dat proces ook gaan sturen.
Matthias Heinemann
Vernieuwende wetenschapscommunicatie
Die zogeheten fermentatie levert een prachtig aanknopingspunt voor het andere deel van het project, waarbinnen kunstenaars en ontwerpers gaan werken aan vernieuwende manieren van wetenschapscommunicatie, vertelt Marinka Copier, directeur van het Expertisecentrum Interactie en Technologie van de Hogeschool van de Kunsten Utrecht (HKU). ‘Op dit moment komt wetenschapscommunicatie vaak neer op het zenden van zo accuraat mogelijke informatie. Er komt nog weinig dialoog tot stand. Onderzoeken hoe je zo’n dialoog het beste kunt bewerkstelligen en wat daarvoor nodig is past naadloos binnen de Nationale Wetenschapsagenda.’ Al tijdens haar kennismakingsgesprek met Heinemann ontstonden de eerste ideeën, vertelt ze. ‘Toen Matthias zijn onderzoek aan mij uitlegde was ik meteen gefascineerd. We begonnen te praten over waar dat proces van beweging van enzymen in cellen voorkomt in het dagelijks leven en kwamen al snel uit bij fermentatie. Dat is een onderwerp waar veel mensen mee bezig zijn. Denk niet alleen aan het brouwen van bier, maar ook aan het fermenteren van groenten waardoor gezonde darmbacteriën behouden blijven.’ Heinemann: ‘Het is verfrissend om te ervaren hoe mensen met een totaal andere achtergrond naar dit onderwerp kijken. Hoewel we nog maar net begonnen zijn vind ik nu al dat deze samenwerking waardevolle creativiteit toevoegt aan ons onderzoek.’
Kijken vanuit ontwerpgedachte
‘Wij proberen in eerste instantie de bètaonderzoekers zelf vanuit een ontwerpgedachte naar hun eigen onderzoek te laten kijken,’ zegt Copier. Zo hebben de HKU-onderzoekers tijdens de kick-off bijeenkomst van het project een workshop gegeven waarin hun collega’s van de RUG moesten bedenken met welke producten hun onderzoeksvraag een relatie zou kunnen hebben. ‘Dat werkte heel goed. Ze waren binnen een paar uur al in staat om met nieuwe ideeën te komen over hoe ze hun onderzoek over de bühne kunnen brengen aan de hand van concrete producten. Dat varieerde van probiotica met gunstige darmbacteriën tot computersimulaties waarmee je je eigen alcoholische drankje zou kunnen maken,’ zegt Copier tevreden.
Maatschappelijke positie van kunst
Voor de HKU vormt dit project een mooie mogelijkheid om mensen uit een ander vakgebied te begeleiden in het ontwerpdenken, en andersom, om kunstenaars en ontwerpers in aanraking te brengen met de wetenschappelijke methode, vertelt ze. ‘Aan de HKU leiden wij verhalenvertellers op. In dit project buigen we ons samen met onze collega’s van de universiteit over de vraag welke bijdragen kunstenaars en ontwerpers kunnen leveren aan het vertellen van impactvolle verhalen over fundamenteel onderzoek. Dat gaat veel verder dan het maken van illustraties om het onderzoek mee uit te leggen, wat nog te vaak de vraag is waarmee wetenschappers ons benaderen. Als hogeschool hebben wij een ander doel. Wij willen de maatschappelijke positie van kunst verbeteren en een kruisbestuiving bewerkstelligen tussen kunst en wetenschap. Bijvoorbeeld door te laten zien dat je met behulp van kunst en ontwerp mensen een ander perspectief kunt geven op wetenschappelijke ontwikkelingen.’
Wij willen de maatschappelijke positie van kunst verbeteren en een kruisbestuiving bewerkstelligen tussen kunst en wetenschap.
Marinka Copier
Heinemann is erg blij dat juist de NWA dit project financiert, zegt hij. ‘Fundamenteel onderzoek zit nog te vaak in de hoek waar de klappen vallen. Terwijl nieuwsgierigheid naar dit soort vragen de basis vormt onder onze kennis van de wereld en de technologie van de toekomst. Commerciële partijen zien dit ook. Binnen dit NWA-project zijn bijvoorbeeld vijf biotechnologiebedrijven aangesloten. Terwijl ze heel goed weten dat het nog minstens tien jaar zal duren voordat hier iets uitkomt waar zij iets mee kunnen.’ De systeembioloog benadrukt dat voor dit soort onderzoek een lange adem van levensbelang is. ‘Het onderzoek naar de energiehuishouding van cellen dat ten grondslag ligt aan dit project heeft ook tien jaar gekost.’
Ambitie
Het NWA-project duurt zo’n vijf jaar. Beide partners hebben een duidelijk idee over wat ze na afloop ervan bereikt willen hebben. Heinemann: ‘Ik hoop dat we tegen die tijd duidelijke aanwijzingen hebben of ons idee over de beweeglijkheid van enzymen klopt, of dat er toch iets anders aan de hand is. En dat we zijn gekomen tot nieuwe manieren om burgers te betrekken bij dit soort fundamentele vraagstukken.’ Copier vult aan: ‘Wat mij betreft is dit project geslaagd als we echt met wetenschappers en ontwerpers samen tot een goed ontwerp zijn gekomen met een zodanige impact op jongeren en volwassenen dat zij zelf inhoudelijke vragen gaan stellen. Ik ga niet voor minder. Wij willen beiden dat deze nieuwe samenwerking er echt toe doet.’
Consortium: Rijksuniversiteit Groningen, Hogeschool voor de Kunsten Utrecht (HKU), Rheinisch-Westfälische Technische Hogeschool (RWTH Aachen University), Corbion, DSM, Chr Hansen Holding A/S, GECCO Biotechnology, Azzuro. Door NWA toegekend bedrag: 1,8 miljoen euro.
| Period | 15-Dec-2021 |
|---|
Media coverage
Media coverage
Title De kunst van energieverspilling door cellen Degree of recognition National Media name/outlet Website NWO Media type Web Country/Territory Netherlands Date 15/12/2021 Description Hoe is het leven ontstaan? En hoe werkt dat leven eigenlijk? Honderden burgers dienden hier vragen over in bij de Nationale Wetenschapsagenda. Het NWA-project ‘De limiet van groei: de uitdaging energie kwijt te raken’ onderzoekt hoe cellen hun eigen groei begrenzen én hoe kunst en ontwerp burgers kunnen betrekken bij dit soort fundamentele wetenschap.
Levende cellen zetten via chemische reacties voedsel om in energie en bouwstenen voor nieuwe cellen. Deze energie kunnen ze vervolgens gebruiken om bijvoorbeeld eiwitten of zelfs compleet nieuwe cellen aan te maken. Je zou verwachten dat cellen streven naar maximale vertering om zo efficiënt mogelijk met voedingsstoffen om te gaan. Bepaalde eencellige organismen, zoals gistcellen en bacteriën, verteren suikers echter vaak niet volledig en produceren restproducten zoals ethanol of melkzuur. Deze moleculen bevatten nog heel veel ongebruikte energie.
Beweeglijke katalysatoren
Systeembioloog Matthias Heinemann van de Rijksuniversiteit Groningen (RUG) is gefascineerd door de vraag waarom deze cellen zo inefficiënt omgaan met hun energiebronnen. In een eerder onderzoek ontdekte zijn groep dat er een natuurkundig fenomeen ten grondslag lijkt te liggen aan dit gedrag. ‘In hoeverre de cellen de suikers volledig kunnen verteren lijkt te worden beperkt door de snelheid waarmee ze de energie die eruit vrijkomt nuttig kunnen gebruiken,’ legt Heinemann uit. Bepaalde enzymen versnellen de chemische reactie waarmee de cellen suikers omzetten – specifieke eiwitten die als katalysator fungeren. ‘Ons idee is dat de vrijkomende energie ertoe kan leiden dat die enzymen te veel gaan bewegen, waardoor bepaalde processen in een cel niet meer goed werken.’
In het NWA-project gaan biologen, biochemici, chemici en natuurkundigen dit idee testen. ‘We beginnen met de gezuiverde versies van enkele bij de verteringsreactie betrokken eiwitten. Daarbij gaan we kijken hoe die enzymen precies de reactie helpen en of ze zich inderdaad gaan verplaatsen als er meer energie wordt geproduceerd. Hiervoor gebruiken we geavanceerde technieken zoals optische pincetten waarmee we de krachten en bewegingen van individuele enzymen kunnen analyseren. Tegelijk gaan we zowel met simulaties als met laboratoriumexperimenten kijken of een verhoogde mate van beweging er überhaupt voor zorgt dat suikers niet compleet worden afgebroken, maar dat er een tussenproduct als ethanol ontstaat.’
Voedingsindustrie
Hoewel de vraag die Heinemann zich stelt een heel fundamentele is, heeft zijn onderzoek zeker ook praktisch toepasbare kanten. ‘Als je tot op het diepste niveau snapt hoe cellen groeien en welk mechanisme bepaalt welke stoffen ze produceren onder welke omstandigheden, kun je dat proces ook gaan sturen.’ Dat is onder andere van belang voor de industriële biotechnologie, die bijvoorbeeld gisten gebruikt om suikers om te zetten in alcohol.
Matthias Heinemann: "Als je tot op het diepste niveau snapt hoe cellen groeien en welk mechanisme bepaalt welke stoffen ze produceren onder welke omstandigheden, kun je dat proces ook gaan sturen".
Vernieuwende wetenschapscommunicatie
Die zogeheten fermentatie levert een prachtig aanknopingspunt voor het andere deel van het project, waarbinnen kunstenaars en ontwerpers gaan werken aan vernieuwende manieren van wetenschapscommunicatie, vertelt Marinka Copier, directeur van het Expertisecentrum Interactie en Technologie van de Hogeschool van de Kunsten Utrecht (HKU). ‘Op dit moment komt wetenschapscommunicatie vaak neer op het zenden van zo accuraat mogelijke informatie. Er komt nog weinig dialoog tot stand. Onderzoeken hoe je zo’n dialoog het beste kunt bewerkstelligen en wat daarvoor nodig is past naadloos binnen de Nationale Wetenschapsagenda.’ Al tijdens haar kennismakingsgesprek met Heinemann ontstonden de eerste ideeën, vertelt ze. ‘Toen Matthias zijn onderzoek aan mij uitlegde was ik meteen gefascineerd. We begonnen te praten over waar dat proces van beweging van enzymen in cellen voorkomt in het dagelijks leven en kwamen al snel uit bij fermentatie. Dat is een onderwerp waar veel mensen mee bezig zijn. Denk niet alleen aan het brouwen van bier, maar ook aan het fermenteren van groenten waardoor gezonde darmbacteriën behouden blijven.’ Heinemann: ‘Het is verfrissend om te ervaren hoe mensen met een totaal andere achtergrond naar dit onderwerp kijken. Hoewel we nog maar net begonnen zijn vind ik nu al dat deze samenwerking waardevolle creativiteit toevoegt aan ons onderzoek.’
Kijken vanuit ontwerpgedachte
‘Wij proberen in eerste instantie de bètaonderzoekers zelf vanuit een ontwerpgedachte naar hun eigen onderzoek te laten kijken,’ zegt Copier. Zo hebben de HKU-onderzoekers tijdens de kick-off bijeenkomst van het project een workshop gegeven waarin hun collega’s van de RUG moesten bedenken met welke producten hun onderzoeksvraag een relatie zou kunnen hebben. ‘Dat werkte heel goed. Ze waren binnen een paar uur al in staat om met nieuwe ideeën te komen over hoe ze hun onderzoek over de bühne kunnen brengen aan de hand van concrete producten. Dat varieerde van probiotica met gunstige darmbacteriën tot computersimulaties waarmee je je eigen alcoholische drankje zou kunnen maken,’ zegt Copier tevreden.
Maatschappelijke positie van kunst
Voor de HKU vormt dit project een mooie mogelijkheid om mensen uit een ander vakgebied te begeleiden in het ontwerpdenken, en andersom, om kunstenaars en ontwerpers in aanraking te brengen met de wetenschappelijke methode, vertelt ze. ‘Aan de HKU leiden wij verhalenvertellers op. In dit project buigen we ons samen met onze collega’s van de universiteit over de vraag welke bijdragen kunstenaars en ontwerpers kunnen leveren aan het vertellen van impactvolle verhalen over fundamenteel onderzoek. Dat gaat veel verder dan het maken van illustraties om het onderzoek mee uit te leggen, wat nog te vaak de vraag is waarmee wetenschappers ons benaderen. Als hogeschool hebben wij een ander doel. Wij willen de maatschappelijke positie van kunst verbeteren en een kruisbestuiving bewerkstelligen tussen kunst en wetenschap. Bijvoorbeeld door te laten zien dat je met behulp van kunst en ontwerp mensen een ander perspectief kunt geven op wetenschappelijke ontwikkelingen.’
Marinka Copier: "Wij willen de maatschappelijke positie van kunst verbeteren en een kruisbestuiving bewerkstelligen tussen kunst en wetenschap".
Heinemann is erg blij dat juist de NWA dit project financiert, zegt hij. ‘Fundamenteel onderzoek zit nog te vaak in de hoek waar de klappen vallen. Terwijl nieuwsgierigheid naar dit soort vragen de basis vormt onder onze kennis van de wereld en de technologie van de toekomst. Commerciële partijen zien dit ook. Binnen dit NWA-project zijn bijvoorbeeld vijf biotechnologiebedrijven aangesloten. Terwijl ze heel goed weten dat het nog minstens tien jaar zal duren voordat hier iets uitkomt waar zij iets mee kunnen.’ De systeembioloog benadrukt dat voor dit soort onderzoek een lange adem van levensbelang is. ‘Het onderzoek naar de energiehuishouding van cellen dat ten grondslag ligt aan dit project heeft ook tien jaar gekost.’
Ambitie
Het NWA-project duurt zo’n vijf jaar. Beide partners hebben een duidelijk idee over wat ze na afloop ervan bereikt willen hebben. Heinemann: ‘Ik hoop dat we tegen die tijd duidelijke aanwijzingen hebben of ons idee over de beweeglijkheid van enzymen klopt, of dat er toch iets anders aan de hand is. En dat we zijn gekomen tot nieuwe manieren om burgers te betrekken bij dit soort fundamentele vraagstukken.’ Copier vult aan: ‘Wat mij betreft is dit project geslaagd als we echt met wetenschappers en ontwerpers samen tot een goed ontwerp zijn gekomen met een zodanige impact op jongeren en volwassenen dat zij zelf inhoudelijke vragen gaan stellen. Ik ga niet voor minder. Wij willen beiden dat deze nieuwe samenwerking er echt toe doet.’
Consortium: Rijksuniversiteit Groningen, Hogeschool voor de Kunsten Utrecht (HKU), Rheinisch-Westfälische Technische Hogeschool (RWTH Aachen University), Corbion, DSM, Chr Hansen Holding A/S, GECCO Biotechnology, Azzuro. Door NWA toegekend bedrag: 1,8 miljoen euro.Producer/Author NWO; Sonja Knols-Jacobs (text) URL https://www.nwo.nl/cases/de-kunst-van-energieverspilling-door-cellen?utm_source=tripolis&utm_medium=email&utm_campaign=nwo_nieuwsbrief_2021_10_21 Persons Matthias Heinemann