Grensverleggende wetenschap

Een touwtje om het heelal

Wetenschappelijk onderzoek fascineert als er doorbraken worden bereikt met een kleiner of groter maatschappelijk belang. Dat gebeurt continu, vaak nog zonder enige ruchtbaarheid. Vijf jonge onderzoekers geven de contouren van de wetenschap in de toekomst aan - de nieuw op te zoeken grenzen. Van een donut bewan-delende, lasso leggende mier tot de qubits-kwantumcomputer.

Medium wetenschap 2

Wandelen als een mier over een donut
Hoe is het mogelijk de vorm van het universum te bepalen? Met wat voor methoden kan de mens, die zich er middenin bevindt, de vorm van de ruimte om zich heen vaststellen? Het antwoord op deze vraag komt een stapje dichterbij met het bewijs van Het vermoeden van Poincaré.
Bijna honderd jaar lang was niemand in staat dit te bewijzen, tot de Russische wiskundige Grigori Perelman in 2002 geheel onverwacht een bewijs publiceerde. Perelman werd vooral bekend door alle sappige verhalen die met zijn prestatie gepaard gingen. Hij weigerde in 2006 de meest prestigieuze prijs voor de wiskunde (de Fields Medal) en sloeg begin 2010 de miljoen dollar af die een wiskundig instituut had uitgeloofd voor de oplossing.
Wat het vermoeden van Poincaré aantoont, is dat het mogelijk is om met eigenschappen van binnenin te begrijpen hoe die ruimte er van buitenaf uitziet. Stelt u zich een mier voor die op het tweedimensionale oppervlak van een object in onze driedimensionale ruimte leeft. Het beestje kan zich alleen over dit oppervlak bewegen, maar kan niet van een afstandje zien op wat voor vorm het leeft. Tijdens zijn wandelingen komt de mier na verloop van tijd steeds terug op zijn beginpunt, wat lijkt te betekenen dat hij zich op het oppervlak van een bol bevindt. Maar ook op het oppervlak van een donut zal hij altijd bij zijn startpunt terugkomen.
Met een slimme truc kan de mier toch vaststellen op welk oppervlak hij leeft. Hij rolt een touwtje uit terwijl hij rondloopt over het oppervlak. Na verloop van tijd komt hij terug op zijn beginpunt, en heeft het touwtje zo een lus gevormd. Vervolgens begint hij deze lus strak te trekken. Als hij op een bol zit, zal de lus altijd zonder problemen helemaal straktrekken. Maar als de mier zich op een donut bevindt en hij heeft toevallig net over de buitenste rand gewandeld, dan zal de lus ‘vasttrekken’ om het gat in het midden van de donut. Het vermoeden van Poincaré zegt ruwweg dat een vergelijkbare truc ook in drie dimensies zal werken. Als wij elke lus die we met een hypothetisch touwtje in de ruimte maken steeds kunnen straktrekken, dan is de ruimte om ons heen in essentie het oppervlak van een vierdimensionale bolvorm. Met dit gegeven kan toekomstig natuurkundig onderzoek zich gaan concentreren op het vaststellen van de eigenschappen van de ruimte om ons heen, om zo de vorm van ons universum te bepalen. Perelman heeft aangetoond dat dit inderdaad zo is.
Charlotte Vlek studeert deze zomer af in de logica.

Een maakbare wereld
De problemen waarmee we de komende decennia te maken krijgen (klimaatverandering, bevolkingsgroei, medicijnresistentie) lijken soms schier onoverkomelijk. In de wetenschap is echter een hernieuwd vertrouwen te bespeuren in de maakbaarheid van de wereld. Maar de risico’s zijn groot want de gevolgen van dit ingrijpen zijn moeilijk te overzien.
Een halve eeuw geleden heerste er een onbegrensd optimisme omtrent het uitbannen van allerlei infectieziektes. In al die jaren is dat met welgeteld één infectieziekte gelukt (de pokken) en onder druk van de realiteit (lees: medicijnresistentie) zijn toen de ambities flink teruggeschroefd. Iets van het optimisme is inmiddels terug en nieuwe pogingen worden onder meer ondernomen tegen een van de meest gevreesde infectieziektes ter wereld: malaria. Per jaar komen zo'n 350 miljoen mensen in aanraking met deze eencellige parasiet, van wie er zo'n twee miljoen komen te overlijden. Een goed vaccin is niet voorhanden en tegen artemisine, het belangrijkste anti-malariamedicijn, wordt in toenemende mate resistentie gevonden. Na het verbod op DDT in de jaren zeventig van de vorige eeuw is recent een alternatief op tafel verschenen: het verdelgen van alle muggen (het natuurlijke vehikel van malaria) op aarde.
Maar is uitroeiing eigenlijk wel mogelijk? En wat zijn daarvan dan de consequenties? Er bestaan zo'n 3500 soorten muggen, waarvan een paar honderd soorten mensen prikken en ziektes overbrengen. Uitroeiing zou in theorie in een decennium mogelijk moeten zijn door gebruik te maken van een combinatie van methodes. Naast een nieuwe generatie insecticiden zijn er nieuwe muggen ontworpen die aan het succes moeten bijdragen. Eén zo'n nieuw ontwikkelde muggensoort bestaat uit steriele mannetjes. Wanneer deze in groten getale worden losgelaten en de aanwezige vrouwtjes bevruchten, produceren die vervolgens larven die niet volledig tot ontwikkeling komen waardoor de muggenpopulatie uiteindelijk instort.
Maar muggen zijn niet alleen irritant, ze zijn ook nuttig. Ze vormen een voedselbron voor vogels en reptielen, ze bestuiven verschillende plantensoorten en muggenlarven aan het wateroppervlak houden het water schoon. Zonder muggen komt ook dat in gevaar. Bovendien is nog veel van de invloed van muggen op hun ecosysteem onbekend. Dat maakt de precieze gevolgen van uitroeiing onduidelijk.
Deze potentieel drastische herstructurering van de natuur is niet op zichzelf staand. Vergelijkbare ontwikkelingen vinden plaats om de voedselproductie gelijke tred te laten houden met de toename in de wereldbevolking (genetisch gemodificeerde gewassen). En omdat we maar geen structurele beslissingen kunnen nemen tegen klimaatverandering zijn we straks veroordeeld tot 'geo-engineering’ om direct in ons klimaat in te grijpen. Fantastische ontwikkelingen, die minder ver in de toekomst liggen dan je zou denken. Maar ze gaan gepaard met een risico dat we moeilijk kunnen overzien. Wanneer de nood aan de man is, zullen we de gok waarschijnlijk wagen.
Tim van Opijnen werkt als gepromoveerd postdoctoraal onderzoeker aan Tufts University in Boston waar hij als evolutionair systeembioloog onderzoek doet naar infectieziektes.

Medium wetenschap 3

Diepe technieken
'Mijnheer Jansen, blijf rustig zitten, ik schuif nu de naald in uw arm. Vandaag neem ik honderd milliliter bloed af en morgen wordt uw “diepe 30-jaars screening” ingezet. We zien u volgende week terug voor de uitslag. Even kijken, schizofrenie, alzheimer, epilepsie en leukemie zitten standaard in uw pakket. We kijken ook even naar uw immuuncellen om het risico op gordelroos in te schatten en we voorspellen uw reactie op de nieuwe griepvariant. Kopje koffie?’
Dit is geen sciencefiction. In het laatste decennium zijn de biomedische analysetechnieken revolutionair snel geëvolueerd en deze zullen in het komende decennium hun intrede doen in de diagnostiek en zorgverlening.
Twee ontwikkelingen op dit gebied zijn nieuw. Een eerste is sequencen. Daarbij wordt genetische informatie (DNA) van een levend organisme - een mens, hond of bacterie - in kaart gebracht. Deze techniek is de laatste jaren extreem veel sneller, beter en goedkoper geworden. Het DNA van grotere groepen dieren en mensen is in kaart gebracht en daarmee is de mogelijkheid ontstaan om genetische afwijkingen te detecteren en te koppelen aan ziektes.
Een tweede nieuwe ontwikkeling is het sorteren van immuuncellen. In ons bloed bevinden zich honderdduizenden verschillende afweercellen waarvan B- en T-cellen de belangrijkste zijn. Nieuwe sorteringstechnieken kunnen duizenden van deze afweercellen snel één voor één screenen en zo het immuunsysteem als het ware ontrafelen of de gewenste cellen eruit vissen. In 2009 werden op deze manier uit één hiv-patiënt twee antilichaam producerende B-cellen geïsoleerd terwijl er in de laatste twintig jaar op de conventionele manier (die meer op geluk dan op wijsheid is gebaseerd) in totaal slechts vier ontdekt waren. Deze antilichamen kunnen tot een vaccin of therapie voor hiv leiden. Met dezelfde technieken kunnen we in de toekomst mogelijk screenen op kanker of leukemie.
Beide 'diepe’ technieken hebben veel potentieel. Maar er moet nog veel wetenschappelijk werk worden verzet voordat zij op grote schaal kunnen worden toegepast. En er zal een maatschappelijke discussie moeten komen - buiten het kleine domein van de Gezondheidsraad - om de maatschappij goed voor te lichten en de meningen te peilen.
Mark Geels is viroloog.

Medium wetenschap 4

Stamcellen komen eraan
Beginnende verschijnselen van alzheimer? Ernstig hartfalen? Geen man overboord. Met een simpele google-search vindt u zo een stamcelkliniek die u ervan afhelpt.
Veel klinieken bieden via internet stamceltherapieën aan. De ziektes die zij behandelen variëren van suikerziekte tot autisme en erectieproblemen. Veel mensen die door de reguliere geneeskunde niet of niet meer geholpen kunnen worden wenden zich tot deze klinieken. Maar het is geen toeval dat deze vaak opereren in landen waar de medische regelgeving soepel of afwezig is. Want zij verkopen voornamelijk behandelingen waarvan niet bewezen is dat ze werken. Dus de beloftes zijn loos en de klinieken uit op het geld van kwetsbare mensen.
Stamcellen zijn al jaren een bron van hoop. Er zijn twee soorten stamcellen. Embryonale stamcellen kunnen zich ontwikkelen in alle typen cellen die je maar kunt bedenken: hersencellen, levercellen et cetera. Embryonale stamcellen vinden we in heel jonge embryo’s en de discussie omtrent het gebruik van dit type stamcellen ligt voor veel mensen gevoelig. Volwassen stamcellen vinden we op veel plekken in het menselijk lichaam waar zij voor herstel kunnen zorgen indien er schade is opgetreden. Dit doen ze door zich te vermenigvuldigen en te veranderen in het juiste celtype. Volwassen stamcellen kunnen, in tegenstelling tot embryonale stamcellen, maar een beperkt aantal celtypen maken.
Toen het enorme potentieel van stamcellen aan het einde van de vorige eeuw duidelijk werd, was het verband snel gelegd. Ziektes waarbij bepaalde typen cellen niet meer functioneren, zoals suikerziekte en alzheimer, zouden in een mum van tijd zijn opgelost. Maar zo simpel was het niet. Ondanks de enorme vooruitgang die op fundamenteel wetenschappelijk gebied is geboekt (we begrijpen stamcellen steeds beter), wordt er in reguliere ziekenhuizen nog steeds maar een handjevol stamceltherapieën toegepast. Zullen stamcellen ooit aan onze verwachtingen voldoen?
Ik denk van wel. De vertaalslag van fundamenteel wetenschappelijk onderzoek naar de kliniek kost veel tijd, maar één voor één zullen stamcelbehandelingen tot het repertoire van artsen gaan behoren. In juli bijvoorbeeld rapporteerde de New England Journal of Medicine een prachtige studie waarin stamceltherapie succesvol werd gebruikt bij het behandelen van een type blindheid dat veroorzaakt wordt door beschadiging van het hoornvlies waarbij ook de stamcellen verloren zijn. In deze studie werden volwassen stamcellen van het gezonde, niet beschadigde oog gekweekt en naar het beschadigde oog getransplanteerd. Tien jaar na de behandeling bleek driekwart van de patiënten nog steeds over een volledig functioneel hoornvlies te beschikken.
En dat is niet het enige succesverhaal. Sinds de jaren tachtig worden huidstamcellen gebruikt om ernstige brandwonden te behandelen, en beenmergtransplantatie voor de behandeling van leukemie is het oudste en waarschijnlijk bekendste voorbeeld van de kracht van stamcellen. Dus ze komen eraan, stamcellen. Maar niet via het internet.
Nadine Vastenhouw is als gepromoveerd postdoctoraal onderzoeker werkzaam aan Harvard University in Cambridge in de Verenigde Staten.
Kwantummechanica
voor gevorderden
De vorige eeuw wordt wel eens de eeuw van de natuurkunde genoemd, mede door de ontdekking van de kwantummechanica. Deze theorie beschrijft onze wereld op heel kleine, (sub)atomaire, schaal. Alhoewel de basis van de theorie destijds geformuleerd is, staan complexe kwantummechanische systemen momenteel centraal in een groot en levendig vakgebied van de natuurkunde. Twee fascinerende toepassingen van zulke complexe kwantumsystemen zijn een kamertemperatuur supergeleider en een kwantumcomputer. Deze twee fenomenen zouden een immense maatschappelijke impact hebben áls we zouden weten hoe ze te realiseren zijn. Beide zijn in principe mogelijk, maar zowel theoretisch als experimenteel blijken ze erg lastig.
Een supergeleider is een materiaal waar een stroom door kan lopen zonder dat er verlies plaatsvindt. De eerste is in 1911 ontdekt door Kamerlingh-Onnes door kwik af te koelen tot -269ºC. Sindsdien is een zoektocht gaande naar een materiaal dat supergeleidend is bij kamertemperatuur. Supergeleiders kunnen energie transporteren of omzetten zonder dat daarbij verlies optreedt. Daardoor kunnen ze zeer sterke magneetvelden opwekken, die gebruikt kunnen worden voor bijvoorbeeld magnetisch-zwevende treinen. De realisatie van een kamertemperatuur supergeleider is een grote stap naar een energiezuiniger maatschappij.
Een ander kwantummechanisch fenomeen is de kwantumcomputer. Dit is een computer die in plaats van bits (0 of 1) te gebruiken met zogeheten kwantum-bits (qubits) werkt. Een qubit is een soort 0 of 1, maar met wat extra bijzondere eigenschappen waardoor er op een totaal andere manier mee gerekend kan worden. Hoewel het aantal toepassingen voor een kwantumcomputer vooralsnog beperkt lijkt, zal de meest bekende toepassing een grote impact hebben. Een kwantumcomputer kan namelijk het coderingsmechanisme waarop digitale communicatie (dus ook banktransacties) gebaseerd is, ontcijferen, waardoor veilig internetverkeer op losse schroeven komt te staan.
Deze fenomenen lijken erg verschillend, maar het zijn beide manifestaties van complexe kwantummechanische systemen. Betrekkelijk simpele kwantummechanische verschijnselen zijn al de basis geweest voor talloze toepassingen, waaronder de laser, GPS en MRI-scanners. Complexere systemen waarbij verscheidene kwantummechanische objecten aan elkaar gekoppeld zijn vormen de basis voor supergeleiders en de kwantumcomputer. Individuele kwantumobjecten, die we stuk voor stuk inmiddels prima begrijpen,

blijken als collectief in staat tot deze fascinerende fenomenen. Al zijn beide toepassingen voorlopig nog toekomstmuziek, de ontwikkelingen zijn indrukwekkend. Complexe systemen van kwantumobjecten zoals atomen, elektronen, fotonen en combinaties hiervan worden door veel onderzoeksgroepen wereldwijd gerealiseerd. Ook al is onduidelijk uit welke hoek de grote doorbraak zal komen, momenteel wordt het begrip van complexe kwantumsystemen stapsgewijs beter. Hopelijk zullen in deze eeuw zowel de kamertemperatuur supergeleider als de kwantumcomputer gerealiseerd worden. Maar misschien nog wel belangrijker is dat het begrip van deze complexe toestanden zomaar zou kunnen leiden tot een onbekende toepassing met een nog grotere impact.
Tobias Tiecke is gepromoveerd aan de Universiteit van Amsterdam en werkt aan Harvard University aan experimenten om de interactie tussen enkele atomen en nanostructuren te bestuderen.

Dit is de opmaat van een wekelijkse wetenschapscolumn in De Groene Amsterdammer door wisselende auteurs van sciencepalooza. Zie www.sciencepalooza.nl