CASIMIR-PROMOVENDI ARTUR KACZMARCZYK EN SANDER BLOK OVER HUN LEIDS-DELFTSE ONDERZOEK
Vorig jaar vierde de Casimir Research School zijn tiende verjaardag: de gemeenschappelijke onderzoeksschool in de natuurkunde van de Universiteit Leiden en de Technische Universiteit Delft, waar zo’n 250 Leidse en Delftse promovendi in de natuurkunde worden opgeleid en samenwerken met 130 postdocs en vaste onderzoekers. Het is een hub van jonge getalenteerde wetenschappers, die samen met de toppers van nu werken aan de natuurkunde van de toekomst.
Twee van die promovendi, Artur Kaczmarczyk en Sander Blok, spraken we. Ze werken allebei in een Leids-Delfts project van het grote consortium Nanofront, dat met een Zwaartekrachtsubsidie van NWO en investeringen van de beide universiteiten van start is gegaan. Het Kavli Institute of Nanoscience Delft en het Leiden Institute of Physics (LION) bundelen hierin hun krachten.
ARTUR KACZMARCZYK EN DE ORGANISATIE VAN HET GENOOM
WIE?
Artur Kaczmarczyk studeerde biotechnologie in Polen en verhuisde toen naar Ulm, Duitsland, voor een stage in de biofysica. Hij besefte al snel dat in dat nieuwe onderzoeksveld zijn toekomst zou liggen. ‘Ik zag dat de Casimir Research School PhD-vacatures had en ik solliciteerde. Ik ben nu aan mijn derde jaar begonnen.’
WAT?
‘Ik onderzoek de organisatie van het genoom. DNA is een groot molecuul, meters lang, maar het moet passen in een cel van een paar micrometer, op zo’n manier dat de genetische informatie toegankelijk is. DNA vouwt zich om spoelen van eiwitten waarmee het een chromatinesnoer vormt. Dat is flexibel, denk aan een ouderwetse telefoondraad waarmee je tijdens het bellen gedachteloos mee speelt. Het zorgt ervoor dat het DNA compact kan worden opgevouwen en reguleert de genexpressie.’
WAAROM?
‘Dit is iets ontzettend fundamenteels en dat soort onderzoek vind ik het fijnst. Waarom is een huidcel anders dan een levercel terwijl ze hetzelfde DNA hebben? Waarin verschilt een stamcel van een volwassen cel? We weten nu dat DNA op sommige plekken meer samengepakt zit dan op andere en dat in de ene cel de toegang tot de genen heel anders is dan in de andere. Chromatine kan ons ook fundamentele inzichten geven over het ontstaan van ziektes zoals kanker.’
HOE?
We imiteren wat er gebeurt in een cel en beschrijven dat in natuurkundige parameters: hoe stug is chromatine, hoe stabiel, hoe beweegt het? Hoe makkelijk kun je het uitrekken of draaien? Dit staat nog niet in de handboeken biologie. Maar we hebben nu de technologie om dieper en dieper en dieper te kijken en kunnen nu een enkel molecuul manipuleren.’
WAT DOE JE PRECIES?
‘Ik gebruik een "magnetisch pincet": ik haal een DNA-molecuul uit een bacterie en voeg eiwitten toe. De ene kant van de DNA-streng maak ik vast aan een glazen plaatje en de andere aan een magnetische kraal. Met behulp van een magnetisch veld trek ik dan aan het molecuul. Ik kan het uitrekken of draaien. Met nano-precisie meten we dan hoe ver het kan rekken, en dan weten we iets over de structuur en dynamica van het molecuul. We willen ook echte chromatinemoleculen gaan gebruiken, uit cellen.’
LEIDEN-DELFT?
‘De Universiteit Leiden en de TU Delft hebben allebei geweldige biofysica-labs. Mijn onderzoek valt onder professor Nynke Dekker in Delft en dr. John van Noort in Leiden. Hun groepen hebben allebei grote expertise in het manipuleren van individuele moleculen. Breng je die labs samen, dan kun je die uiterst complexe biologische systemen nog beter begrijpen.’
LEIDEN = THEORIE EN DELFT = TECHNOLOGIE?
Míjn onderzoek bevat inderdaad zowel theorie als experiment. Het lab van John van Noort in Leiden heeft een statistisch mechanisch model ontwikkeld, waarmee we de resultaten van de experimenten kunnen interpreteren. Verder gebruik ik in Leiden een klassiek magnetisch pincet en heb ik in Delft de beschikking over nieuwe varianten daarop, zoals een elektromagnetisch pincet om torsiekrachten te meten. Beide instituten werken ook heel hard aan technieken om meerdere moleculen tegelijk te bekijken in plaats van een voor een. Ik verwacht dus nog heel veel te kunnen leren over de structuur van chromatine. En wat zo mooi is: mijn Leidse resultaten zijn consistent met de resultaten die ik met mijn Delftse opstellingen kreeg. Dat geeft me alle vertrouwen om door te gaan!’
UITDAGINGEN?
‘Ik wil steeds op meerdere plekken tegelijk zijn! Ik probeer bij beide groepen te horen en aan de discussies deel te nemen. Tijd is hier echt de beperkende factor. En gedoe met treinen en verwoede pogingen mijn fiets terug te vinden in die gigantische fietsenkelder van station Delft. En zowel LION als de Delftse Bionanoscience verhuizen volgend jaar naar een nieuw gebouw. Dat wordt dus pas echt een uitdaging!’
SANDER BLOK EN DE EFFICIËNTIE VAN MOLECULAIRE SCHAKELAARS
WIE?
Sander Blok deed een bachelor scheikunde in Groningen en ontdekte dat hij natuurkunde toch leuker vond. Via een master nanoscience belandde hij in de moleculaire elektronica, waarbij zijn scheikundige achtergrond goed van pas komt. Hij zit nu in het derde jaar van zijn PhD-traject.
WAT?
‘Ik onderzoek hoe elektrische stroompjes lopen in netwerken van nanodeeltjes en kijk daartoe naar de efficiëntie van moleculaire schakelaars. Met een gewone schakelaar, een lichtknopje, doe je het licht aan of uit. Maar bij moleculaire schakelaars is het altijd ‘een beetje aan’ en ‘een beetje uit’. Die efficiëntie willen we verhogen. En dus willen we weten hoe zo’n moleculair geschakeld netwerk werkt. We willen alles weten over de factoren die de transmissiekansen van elektronen in zo’n netwerk beïnvloeden.’
WAAROM?
‘Eigenlijk vooral omdat ik het zelf zo mooi vind om te doen. En om een stapje verder te zetten in de puzzel. Maar moleculaire schakelaars hebben veel toepassingsmogelijkheden. Je kunt ze bijvoorbeeld gebruiken als sensoren, om licht te detecteren.’
HOE DOE JE ZOIETS?
‘Mijn Leidse begeleider Sense Jan van der Molen heeft zo’n netwerk van nanodeeltjes gemaakt. Eerst met bruggetjes en die bruggetjes heeft hij vervolgens vervangen door moleculaire schakelaars die je aan en uit kunt zetten, bijvoorbeeld door er fotonen op af te schieten, maar dat is afhankelijk van het molecuul. Hij heeft toen de weerstand gemeten met de schakelaars aan en uit. Het verschil daartussen bleek niet zo groot. We willen weten hoe dat komt, zodat we de eigenschappen van dat netwerk kunnen gebruiken om het verschil tussen aan en uit te vergroten.’
EN WAT DOE JIJ?
Mijn specifieke vraag is: hoe draagt co-tunnelen bij aan de doorstroom van elektronen door het netwerk. Sense Jan heeft nog niet gemeten bij lage temperaturen en daar gaat co-tunnelen een rol spelen. Het betekent dat er twee elektronen nodig zijn om per saldo één elektron van deeltje A naar deeltje B te verplaatsen via het molecuul dat ertussen is gezet. Een enkel elektron heeft namelijk te weinig energie om de benodigde tijd – een fractie van nanoseconden - op het molecuul te blijven, en wordt weer teruggekaatst. Ténzij op precies het zelfde moment een ander elektron van dat molecuul naar deeltje B overspringt. Dan is er wel transmissie.’
LEIDEN-DELFT?
‘Leiden en Delft lopen allebei vooraan in het onderzoek naar moleculaire geleiding. Ik zit in het gezamenlijke project van Sense Jan en van Miriam Blaauboer in Delft. Sense Jan is heel goed in moleculaire geleiding in netwerken en de groep van Miriam is heel goed in het voorspellen van de eigenschappen daarvan. Ze berekenen wat er gebeurt met de transmissiekans in het netwerk onder invloed van bepaalde factoren. Bijvoorbeeld onder invloed van wanorde, dus als er gaten tussen de atomen zitten. Of spanning: hoe meer spanning, hoe kleiner de kans op transmissie. Dat is nu nog puur theoretisch, we willen daar experimenten mee gaan doen.’
LEIDEN = THEORIE EN DELFT = TECHNOLOGIE?
‘Nee bij mij is het dus precies andersom. Mijn opstellingen zijn in Leiden en ik werk samen met theoretici in Delft, in de groep van Miriam Blaauboer. In Delft zit veel theoretische kennis over co-tunneling. Ik kom er daardoor ook veel minder en zit meestal in Leiden. Gelukkig hebben we wel de gezamenlijke Casimir-bijeenkomsten en de retreats. We zijn met de hele groep drie dagen naar Frankrijk geweest. Dat was echt leuk. Een heel goed programma en ik heb leren snowboarden. En praten over theorie kan ook via Skype.'
