Twee biofysici laten de moleculen van het leven zien

Twee vlammende topfysici op de VU vonden elkaar en zetten een reuzenstap. Gijs Wuite en Erwin Peterman bouwden een apparaat waarmee het mogelijk was één biomolecuul vast te houden, uit te rekken en zichtbaar te maken. Collega’s bleven maar vragen om samenwerking, daarom startten de fundamentele wetenschappers het bedrijf Lumicks. Hun instrumenten zijn daardoor voor veel meer wetenschappers beschikbaar. Ze winnen nu de NWO Valorisatieprijs: 250.000 euro. Wie zijn deze mannen, en wat kunnen ze?

Gijs Wuite

Het lijkt wel een spelonk. Als je een laserkamer in de kelder van het VU-bèta­gebouw betreedt, sta je eerst in een voorpor­taaltje, omringd door zware gordijnen. Daar moet je een enorme, donkere bril op voordat je verder mag. ‘Er kan altijd een verdwaalde laserstraal in je ogen komen’, verklaart Gijs Wuite (1972), hoogleraar fysica van levensprocessen. Binnen staan opstellingen met vele spiegeltjes en lenzen, lasers, een joystick en een beeldscherm.

Het zijn optische pincetten. Je kunt in zo’n apparaat een molecuul, bijvoorbeeld DNA, vastpakken met een laserstraal. Het mole­cuul zit vastgeplakt aan microscopisch kleine piepschuimbolletjes. Met laserstralen die je met een joystick stuurt, grijp je de bolletjes en trek je eraan. Meetapparatuur stelt vast hoeveel picoNewtons aan kracht je uitoefent en hoeveel nanometers beweging er dan plaatsvinden.

Glanzende ogen
Stel je voor, de dubbele DNA-helix vastgeklemd tussen twee bolletjes. Je trekt voorzichtig, en trekt nog wat harder. Zal de ketting breken waar toevallig de zwakste schakel zit? Nee, het optische pincet liet zien dat het mole­cuul niet op één plek breekt. Met glanzende ogen vertelt Wuite wat hij heeft gezien: “Bij 60 picoNewton is het: poef! In allemaal belletjes valt de hele structuur uit elkaar. Als DNA ontwindt, is de baseparing niet sterk genoeg meer en laten ze allemaal tege­lijk los. Maar het bizarre is: als je de kracht weer wegneemt, herstelt het molecuul zich!” Zo beslechtten Wuite en zijn team in 2009 gesteggel onder wetenschappers dat al tien jaar duurde.

Tijdens zijn stage bouwde Wuite zelf een laserpincet, daarna promoveerde hij op onderzoek dat hij ermee deed. In 2000 kwam hij bij de natuurkundeafdeling Complexe systemen van de VU, die sterk in opkomst was, om zelf een groep op te zetten. Er volgde een belangrijke uitvinding, name­lijk dat je ook kunt zien hoe een eiwitmole­cuul aan het werk is in het apparaat. “Mijn collega Erwin Peterman is gespecialiseerd in fluorescentie. Samen hebben we rond 2005 fluorescentie mogelijk gemaakt in het optische pincet.”

Eén plus één werd tien
Een bijzondere prestatie als je nagaat dat een fluorescerend molecuul naast een laser­straal zich verhoudt als een vuurvliegje naast een vuurtoren. Met een gevoelige camera die fotonen kan tellen, kon je toen zien hoe een eiwit langs een DNA-streng wandelt. “Eén plus één werd tien: we konden daar­door ineens veel meer, en we waren daarmee uniek. We moesten kiezen wat we het eerst wilden doen.” Nog altijd lopen de VU-onderzoekers ver vooruit op de andere groepen in de wereld die dit inmiddels ook kunnen.

Vele mailtjes kreeg Wuite uit de hele wereld. Van biochemici die ongeveer weten hoe iets werkt en van natuurkundi­gen die een model hebben ontwikkeld, maar dolgraag willen weten hoe het echt gaat. Maar Wuite en zijn groep konden niet alles tegelijk en dat gaf de eerste aanleiding om na te denken over commerciële inzet van de ontwikkelde apparatuur.
(Update van het artikel uit VU Magazine print, dec. 2010)

Erwin Peterman

Een vrijdagavond in 2011, vijf voor zeven. Een aio en een postdoc kwamen de kamer van Erwin Peterman binnengerend. Zes weken had de aio er als een waanzinnige aan gewerkt, helemaal stuk was hij, en eindelijk kon hij roepen: “Ik heb de worm!!” Peterman veerde op, wilde meteen checken of het inderdaad gelukt was wormen zo te modificeren dat ze zichtbaar zouden maken waar hij en zijn collega’s al een paar jaar op hoopten. “Kom op, we leggen hem onder de microscoop.”

Een dierbare herinnering van Peterman (1970), die meteen illustreert hoe de vrijdagavonden van een wetenschapper er zoal uit kunnen zien. Dat harde werken is beloond: in 2012 werd hij benoemd tot hoogleraar in het University Research Chair Programma van de VU.

Als koeriertjes met 200 stapjes per seconde
Achterhalen hoe het leven werkt op moleculair niveau. Dat probeert deze biofysicus te achterhalen. Hoe sterk is een dna-molecuul? Hoe bindt een reparatie-eiwit eraan? Hoe zet een transporteiwit calorieën om in beweging? Door methoden en apparatuur te ontwikkelen waarmee hij op steeds kleinere schaal waarnemingen kon doen, wist hij dit soort dingen voor elkaar te krijgen.

De collega’s van die vrijdagavond werkten met Peterman aan onderzoek naar gespecialiseerde eiwitten die als koeriertjes met 200 stapjes per seconde over het wegennet binnen cellen rennen. Dat wegennet is het celskelet, bestaande uit kleine buisjes die microtubuli heten. Prachtige filmpjes kan hij van die rennende kinesine-eiwitten laten zien. Daarin zie je – enigszins vaag – kleine, lichtgevende bolletjes in hoog tempo langs een vaste route bewegen.

Hij kreeg het voor elkaar
Die bolletjes zijn niet de kinesinemoleculen zelf: die zijn onzichtbaar. In 2009 lukte het om ze te zuiveren en zichtbaar te maken door er een lichtgevend – fluorescerend – stukje aan te koppelen. Ook van het wegennet waar ze overheen lopen, kon hij een preparaat maken. En hij kreeg het voor elkaar om die elementen samen met de benodigde brandstof ATP onder de juiste omstandigheden bij elkaar te brengen en te filmen hoe de koeriertjes begonnen te lopen. Peterman heeft daarmee laten zien wat de precieze tred is van kinesine terwijl het over het celskelet rent.

Toen was het tijd voor iets anders. Peterman: “Voor mij is onderzoek net als in de bergen wandelen, mijn grootste hobby. Ik kijk steeds vooruit, wil weten hoe het volgende dal eruitziet. Ik ben ongeduldig. Als ik weer nieuwe dingen heb geleerd en die beginnen vruchten af te werpen, wil ik weer andere dingen doen. Ik zocht een project waarmee nog echt iets te veranderen viel.”

Monumentale stap
Dat werd een monumentale vervolgstap binnen het single molecule-veld: de bewegende kinesine-eiwitten zichtbaar maken in een levend organisme. “Ambitieus, want we zouden het celniveau overslaan en meteen naar een heel organisme gaan.” Dat past wel bij Peterman, want: “Juist als anderen zeggen: ‘Dat kan niet’, wil ik het gaan doen.”

Zo kwam het tot de worsteling om piepkleine wormen van de veel bestudeerde soort C. elegans zo te modificeren dat zij hun transporteiwitten zelf voorzien van een fluorescerend stukje. Geen wonder dat de aio die dat moest doen, juichend Petermans kamer binnenrende toen het gelukt was.

“Er was een bouwwerk af”, zegt Peterman. “Het was alsof we na een zware wandeling de bergtop bereikten. Opeens heb je het uitzicht. De investering was niet voor niets geweest.” Trots laat hij de filmpjes zien. “Ik vind het na duizend keer nog steeds geweldig om naar dit filmpje te kijken. Hier zijn veel mensen op de wereld heel jaloers op.’

‘De kracht van mijn lab is interdisciplinair werken”, zegt Peterman. “Zo zit ik in elkaar. We zijn goed in geavanceerde biomarkers maken, in microscopie, in data-analyse en in modellen maken.” Hij waardeert dan ook de focus van de VU op multidisciplinair onderzoek. “Ik ken biofysici op andere instituten die zich moeten verdedigen bij fysica-collega’s dat ze toch echt natuurkunde doen. Hier zijn die traditionele hokjes weg.”
Update van het interview ter gelegenheid van Petermans URC-benoeming in 2012.

Gijs Wuite vóélde de energie

Gijs Wuite (Leeuwarden, 1972) had altijd al een brede interesse in de zin van: hoe werkt de wereld? Hij dacht eraan om bouwkunde te gaan studeren, maar op open dagen van natuurkunde veranderde hij van gedachten. Het werd technische natuurkunde in Twente, waarbij je iets meer dan bij gewone natuurkunde leert over het bouwen van apparatuur. Een studiereis langs de westkust van de VS bracht hem in de ban van de biofysica. “Je vóélde daar de energie van een nieuwe grens die werd gepasseerd. De atomaire krachtenmicroscoop kwam op, optische pincetten begonnen nét te komen… Ik realiseerde me: hier is zo veel te doen, met relatief eenvoudige middelen. Het is betekenisvol en het is meer je eigen onderzoek.”

Wuite kon op stage en mocht daarna blijven in Berkeley, waar hij zelf een optisch pincet bouwde. “Daar waren er toen op de hele wereld vijf van.” Na zijn promotieonderzoek, waarbij hij dat pincet zelf kon gebruiken, begon hij in 2001 met een NWO-subsidie een onderzoeksgroep op de VU. Kort na de toekenning van een VICI-subsidie werd hij in 2009 benoemd tot hoogleraar. Daarna volgden diverse ERC-subsidies en werd hij in 2014 hoofd van de afdeling natuurkunde.

Erwin Peterman: mateloos gefascineerd door alpenmarmotten

Erwin Peterman wilde altijd al begrijpen hoe de natuur in elkaar zit. “Ik herinner me een vakantie met mijn ouders in Zwitserland. Mijn ouders wilden verkassen, maar ik was mateloos gefascineerd door alpenmarmotten en wilde niet weg.”

Hij kon niet kiezen tussen de vakken biologie, scheikunde, natuurkunde en wiskunde. “Multidisciplinair is iets waar ik mee geboren ben.” Daarom was de studie moleculaire wetenschappen in Wageningen perfect voor hem. Binnen die studie deed hij ook heel verschillende stages, waaronder een bij de VU bij biofysicus Rienk van Grondelle, een wereldleider op het gebied van fotosyntheseonderzoek. Bij hem mocht hij blijven als promovendus op het gebied van fluorescentie en spectroscopie.

Daarna wilde Peterman weer iets nieuws. Waar kun je leuke biofysica doen, vroeg hij zich af. Hij werd geattendeerd op het single molecule-veld en leerde alle geheimen aan de University of California, San Diego en Stanford University. Daar begon hij ook met onderzoek naar kinesine, en dat heeft hem sindsdien niet meer losgelaten. In 2000 kwam hij als post-doc terug naar de VU met een NWO-subsidie. Daarna haalde hij steeds grotere NWO-subsidies binnen, werd UD en later UHD, tot hij eind 2012 benoemd werd tot hoogleraar in het University Research Chair Programma van de VU.

De NWO Valorisatieprijs

Van de NWO Valorisatieprijs is 235.000 euro bedoeld voor nieuw op te zetten onderzoek; 15.000 euro mogen de winnaars geheel vrij besteden. De prijsuitreiking is op 23 januari 2018 tijdens het jaarlijkse, landelijke natuurkundecongres Physics@Veldhoven.

Gijs Wuite en Erwin Peterman zijn elk succesvol geweest in het opzetten van een excellente onderzoeksgroep met eigen expertise, aldus de jury. Met het samenbrengen van hun expertises in optical tweezers en single-molecule fluorescence microscopy hebben ze een belangrijke stap gezet. Ze hebben nieuwe instrumenten kunnen creëren voor baanbrekend onderzoek naar biologische systemen en voor toepassingen in DNA-onderzoek. Hun samenwerking blijft ook vernieuwend. Recentelijk hebben ze een geheel andere technologie uitgevonden: Acoustic Force Spectroscopy, met sterke toepassingsmogelijkheden in de biomedische diagnostiek.

Om hun vindingen effectief in andere labs te benutten, realiseerden ze zich dat het nodig was dat er commerciële versies beschikbaar kwamen. Dit heeft geleid tot het starten van het bedrijf Lumicks, dat met veel succes aan het groeien is en zelfs na drie jaar al winstgevend is en meer dan 20 mensen in dienst heeft in hightechbanen. Peterman en Wuite: ‘Het was voor ons best een stap om onze vindingen die wetenschappelijk al veel aandacht hadden gekregen ook commercieel te gaan verspreiden maar deze prijs is een geweldige erkenning en we hopen dat het andere wetenschappers zal inspireren!’

Peterman en Wuite zijn een schoolvoorbeeld van hoe het kan: twee onderzoekers die hun eigen specialistische excellentie combineren, en daaruit zowel succesvolle wetenschap creëren als valorisatie van hun fundamentele kennis. Ze dragen hun ervaring op dit gebied actief uit naar studenten en collega’s, en zelfs hun concurrenten, aldus NWO.

Dit artikel verscheen in januari 2018 in VU Magazine

Plaats een reactie