'Hoe fundamenteler het onderzoek hoe mooier'

In dit artikel:

Nobelprijswinnaar Ben Feringa bouwde als eerste een moleculaire motor die onder invloed van licht gericht kan bewegen. Met deze ultrakleine machines wist hij onder meer een moleculair windmolenpark, bewegende structuren en een nanoautootje te maken. Voor dit onderzoek kreeg hij samen met Jean-Pierre Sauvage en James Fraser Stoddart de Nobelprijs voor Scheikunde.

Feringa’s werk begon als fundamenteel onderzoek. Hij wilde moleculen ontwerpen die, net als systemen in levende cellen, kunnen reageren op signalen uit hun omgeving. In de natuur zorgen talloze moleculaire motoren bijvoorbeeld voor spierbeweging, transport in cellen en het herstel van beschadigd weefsel. Chemici kunnen wel statische materialen maken, maar het bouwen van materialen die zelfstandig bewegen of zich aanpassen is veel moeilijker.

De basis voor Feringa’s motor ontstond tijdens zijn promotieonderzoek in 1977, toen hij een ongewoon gedraaid molecuul met een dubbele koolstofbinding maakte. In de jaren tachtig en negentig onderzocht hij vervolgens moleculen die onder invloed van licht tussen verschillende toestanden konden schakelen. Een toevallige ontdekking van een molecuul dat bij belichting een halve in plaats van een kwartslag draaide, leidde uiteindelijk tot een motor die steeds in dezelfde richting kan roteren. In 1999 presenteerde Feringa de eerste gecontroleerde, continu draaiende moleculaire motor.

Het duurde jaren om de beweging snel en betrouwbaar genoeg te maken voor grotere constructies. De eerste motor draaide slechts één keer per uur. Uiteindelijk konden Feringa en zijn onderzoeksteam de snelheid regelen, de draairichting omkeren en vier motoren als wielen onder een moleculair chassis plaatsen. Het nanoautootje haalde in 2014 ongeveer 12 miljoen rotaties per seconde. In 2005 lieten de onderzoekers bovendien een staafje dat tienduizend keer groter was dan de motor zichtbaar ronddraaien. Later bouwden ze onder meer microspieren en een klein windmolenpark.

De drie Nobelprijswinnaars leverden elk een belangrijke bijdrage aan de ontwikkeling van moleculaire machines. Sauvage maakte in 1983 moleculaire ringen die mechanisch met elkaar verbonden waren maar ten opzichte van elkaar konden bewegen. Stoddart bouwde in 1994 een ring-en-asconstructie, een zogenoemd rotaxaan, waarin een ring heen en weer kon bewegen. Feringa voegde daar een echte, door licht aangedreven rotatiemotor aan toe.

Directe toepassingen bestaan nog nauwelijks. De experimenten gebeuren vaak bij zeer lage temperaturen, terwijl moleculen bij lichaamstemperatuur sterk en willekeurig bewegen. Toch kunnen de motoren op termijn worden gebruikt in nanomachines die stoffen vervoeren, bijvoorbeeld om medicijnen gericht naar een kankercel te brengen. Ook ziet Feringa mogelijkheden voor materialen die zichzelf herstellen, ramen die zich aanpassen aan de temperatuur en oppervlakken die zichzelf schoonhouden. Hij benadrukt dat zulke toepassingen niet vooraf te voorspellen zijn: veel technologieën zijn ontstaan uit onderzoek zonder onmiddellijk praktisch doel.

Feringa werkte na zijn promotie 6,5 jaar bij Shell, maar keerde in 1978 terug naar de Rijksuniversiteit Groningen omdat hij zelf fundamentele ontdekkingen wilde doen. Daar groeide hij uit tot hoogleraar en bleef hij ondanks buitenlandse aanbiedingen werken. De samenwerking met natuurkundigen, biologen en onderzoekers uit het universitair medisch centrum noemt hij belangrijk voor zijn onderzoek.

Hoewel zijn nanomotoren steeds meer richting toepassingen gaan, wil Feringa het liefst verder werken aan een nog fundamenteler vraagstuk: waarom levensbelangrijke moleculen op aarde vrijwel altijd één spiegelbeeldvorm hebben. DNA is bijvoorbeeld rechtsdraaiend en aminozuren zijn linksdraaiend. Deze asymmetrie, ook wel de ‘signature of life’ genoemd, speelt mogelijk een rol in het ontstaan van het leven, maar is nog steeds niet experimenteel verklaard.

Daarom pleit Feringa voor veel meer overheidsinvesteringen in fundamenteel onderzoek en goed wetenschappelijk onderwijs. Volgens hem kan Nederland zonder langdurige investeringen zijn positie in de wetenschap verliezen. De moleculaire motor laat volgens hem juist zien dat tientallen jaren onderzoek zonder directe toepassing uiteindelijk nieuwe technologieën en onverwachte mogelijkheden kunnen opleveren.