Tom de Greef (28) wijst naar de zithoek in de koffiekamer van het Instituut voor Complexe Moleculaire Systemen (ICMS). “Om de week komen we hier bij elkaar voor de groepsmeeting, dan zijn er discussies tussen natuurkundigen, wiskundigen, chemici, BMT’ers. ” Door de gevarieerde achtergrond van de onderzoekers binnen het instituut zijn die discussies heel breed, en daar houdt De Greef van: “Deze omgeving vormt een prachtige stimulans voor mij. Ik ben zelf ook heel breed geïnteresseerd.” Dat blijkt ook uit de stellingen bij zijn proefschrift: het papiertje bevat niet alleen beweringen over polymeerchemie (zijn vakgebied), maar ook over snaar- en chaostheorie. De Greef, inmiddels als postdoc in dienst van het ICMS, is altijd op zoek naar analogieën en verbanden tussen vakgebieden. Hij leest zich dan ook een slag in de rondte: “Elke dag probeer ik voor het slapengaan vakliteratuur door te nemen. Mijn vriendin zegt altijd: je staat ermee op en je gaat ermee naar bed. Maar ik ben heel blij dat ik nu word betaald om mijn hobby uit te oefenen.”

Al tijdens zijn studie Biomedische Technologie openbaarde zich de eigenzinnige nieuwsgierigheid van De Greef. “Ik wilde weten hoe je organische moleculen synthetiseert, maar dat zat destijds nog niet in het curriculum van BMT. Toen ben ik gewoon naar Bert Meijer gestapt en heb hem verteld wat ik wilde leren.”

In het lab van prof.dr. Bert Meijer heeft hij toen in zo’n vijftien stappen een polymeer gemaakt -een lange keten van moleculen- dat zich onder bepaalde omstandigheden in de vorm van een wenteltrap vouwt. Aan die exercitie heeft hij bij zijn promotieonderzoek -onder leiding van diezelfde Meijer en prof.dr. Rint Sijbesma van de groep Molecular Science en Technology- nog veel gehad, zegt De Greef.

In zijn promotieonderzoek draaide alles om een belangrijk onderzoeksonderwerp van het ICMS: supramoleculaire polymeren, ketens van moleculen die met relatief zwakke bindingen aan elkaar zitten. De meeste polymeren -zoals plastics- zijn covalent gebonden: ze vormen eigenlijk één groot molecuul waarbij de bindingen tussen de oorspronkelijke bouwstenen ongeveer even sterk zijn als de bindingen tussen de atomen binnen deze bouwstenen. In de door De Greef bestudeerde supramoleculaire polymeren zijn de bouwstenen daarentegen verbonden door zogeheten waterstofbruggen. Deze zijn veel zwakker dan de covalente bindingen.

Waar een covalente binding wordt veroorzaakt doordat een elektron ‘gedeeld’ wordt door de twee atomen, gaat dit proces bij waterstofbruggen minder ver: bepaalde atomen (zoals zuurstof en stikstof) hebben de neiging het elektron van een waterstofatoom van een naburig molecuul aan te trekken, maar zonder dat dit elektron ook echt onderdeel wordt van beide moleculen: het elektron hoort nog echt bij het waterstofatoom. De aantrekkende kracht die dat oplevert, is te vergelijken met de statische elektriciteit die ervoor zorgt dat een opgewreven ballon aan het plafond blijft hangen.

Een polymeer waarin de bouwstenen verbonden zijn met waterstofbruggen wordt supramoleculair genoemd omdat je de moleculaire bouwstenen nog goed kunt herkennen. Dat is niet het geval in covalente polymeren, waarin de grenzen tussen de oorspronkelijke bouwstenen volledig zijn vervaagd. Door de relatief zwakke bindingen zijn supramoleculaire polymeren erg flexibel. Bovendien worden de bindingen gemakkelijk verbroken en weer opnieuw gevormd.

Creutzfeldt-Jakob
In de natuur komen supramoleculaire polymeren veel voor: clusters van eiwitten vallen bijvoorbeeld in deze categorie. Voor het begrip van allerlei processen in het menselijk lichaam is fundamenteel onderzoek naar kunstmatige supramoleculaire polymeren daarom van groot belang, zegt de Greef. “De dodelijke hersenziekte Creutzfeldt-Jakob wordt veroorzaakt doordat een eiwit zich verkeerd vouwt en daardoor een supramoleculaire polymerisatie in gang zet. Dat is een voorbeeld van een nucleatie-groeiproces.” Hierbij vormen zich pas ketens als er ergens een nucleatiepunt, een kiem, ontstaat. Dat kan een verkeerd gevouwen eiwit zijn, of een stel moleculen dat toevallig bij elkaar komt.

In principe is de lengte van de ketens afhankelijk van de concentratie van de bouwstenen, vertelt De Greef. Dat is volgens hem een groot voordeel van supramoleculaire polymeren: door de concentratie aan te passen, heb je direct invloed op de lengte van de ketens. Voor de meeste bouwstenen neemt de ketenlengte eenvoudig toe met de concentratie, maar er zijn er ook die pas plotseling gaan groeien als zich een kiem vormt, bijvoorbeeld als er toevallig een paar bouwstenen aan elkaar blijven plakken. De eigenschappen van deze bouwstenen veranderen door hun samenzijn zo dat het plotseling aantrekkelijk wordt voor de bouwstenen om te blijven plakken. De moleculen kunnen dan klontjes gaan vormen, zoals bij de ziekte van Creutzfeldt-Jakob. “Wij hebben hier nu een aantal kunstmatige bouwstenen weten te maken die dat nucleatiegedrag vertonen”, zegt De Greef enthousiast. Door te spelen met de precieze vorm van de synthetische bouwstenen, kun je veel leren over het proces van nucleatie -en daarmee over wat er in de natuur soms misgaat.

Joepie-nappie
De Greef wijdde een belangrijk deel van zijn onderzoek aan een derde groeimechanisme, waar hij eigenlijk per toeval tegenaan liep. Hij had het voor elkaar gekregen om een bouwsteen, het mono- meer UPy (spreek uit: joepie), zo aan te passen dat het een verbinding aanging met een verwant monomeer: NaPy (nappie). De Greef verwachtte vervolgens lange ketens bestaande uit UPy-NaPy-bouwstenen aan te treffen, maar dat viel tegen: bij lage concentraties werden juist heel weinig lange ketens gevormd. “Ik had geen idee hoe dat kwam: ik had het dimeer juist zo ontworpen dat het lange ketens zou kunnen vormen.”

Na veel puzzelen vonden De Greef en zijn collega’s de oplossing van het raadsel. “Het bleek dat UPy-NaPy ook heel goed ringvormige polymeren kan vormen: de keten bijt dan als het ware in zijn eigen staart.” En het vormen van ringen blijkt juist bij lage concentraties heel gunstig. “We hebben samen met een Italiaanse professor exact gemodelleerd hoe dat in zijn werk ging,” zegt hij. Dat leverde formules op die grote gelijkenis vertoonden met klassieke resultaten: “Achteraf bleek dat Nobelprijswinnaar Paul Flory al in 1948 precies zo’n formule had opgesteld, alleen dan voor covalente polymeren en via een andere benadering.”

De Greef lijkt goed bezig zich een plekje te veroveren in de wereld van de wetenschap. Zo publiceerde hij afgelopen mei met Bert Meijer een overzichtsartikel in het prestigieuze blad Nature. Toch kijkt hij niet te ver vooruit.

“Ik heb hier nu een aanstelling voor twee jaar, en ik ga erg mijn best doen daar een succes van te maken. Ach, je weet niet hoe de dingen lopen. Maar ik vind dit werk wel zo leuk dat ik het de rest van mijn leven zou willen doen.”/.