Jarenlang ploeteren aan een minuscuul autootje

Nobelprijs | Chemicus Ben Feringa hoopt dat zijn prijswinnende nano-autootjes in de toekomst medicijnen op de juiste plek in het lichaam afleveren of tumoren doen oplichten

Het vakgebied van Ben Feringa is de organische chemie. De scheikunde van de knutselaars. Een organisch chemicus bouwt moleculen. Altijd met koolstof als basisatoom, meestal in lange ketens, waar ze allerlei andere groepen atomen aan hangen. Net zolang tot ze een molecuul hebben met de gewenste eigenschappen. Suikers, eiwitten, plastics.

Die assemblage van organische moleculen vindt plaats in reactorvaten, maar de onderzoekers proberen eerst hun ontwerp te visualiseren op de computer. Of liever nog, met een fysiek model van gekleurde bolletjes en staafjes. Feringa heeft op zijn studeerkamer thuis nog zo'n scheikundedoos staan waarmee hij test of zijn idee ook in een molecuul is om te zetten. Als het niet lukt, was het geen goed idee.

De organische chemie leek dan ook het aangewezen vakgebied om de droom van Richard Feynman te verwezenlijken. Deze beroemde natuurkundige (en Nobelprijswinnaar) had er al in 1959 op gewezen dat er nog 'voldoende ruimte aan de onderkant' was. Feynman schetste de wereld van het ultrakleine die aan ieders voeten lag. Als je atomen één voor één zou kunnen manipuleren, werd het mogelijk structuren te bouwen die voor de gewone chemie niet waren weggelegd. Laten we moleculaire machientjes maken, herhaalde hij in 1984.

Toen Feringa in 1988 hoogleraar aan de Rijksuniversiteit Groningen werd, leek hij zich met een ander probleem uit de organische chemie bezig te houden. Je kunt wel een mooi molecuul bedenken en dat vervolgens bouwen, in de praktijk gaat het soms net niet goed. Dan ontstaan er in het reactorvat twee varianten van het molecuul - in formule precies gelijk, maar qua ruimtelijke structuur elkaars spiegelbeeld.

Dat lijkt een futiel verschil, maar het kan ernstige gevolgen hebben. Het bekendste voorbeeld is thalidomide, een geneesmiddel dat zestig jaar geleden onder de naam Softenon op de markt kwam en werd voorgeschreven tegen zwangerschapsmisselijkheid. Het bleek ernstige misvormingen bij het kind te veroorzaken. De precieze oorzaak is nooit opgehelderd, maar het zat hem in een van de twee spiegelvarianten. Links- of rechtsdraaiend thalidomide was heilzaam dan wel schadelijk.

De groep van Feringa zocht begin jaren negentig naar manieren om 'links' en 'rechts' te scheiden. Hetzij bij de fabricage, hetzij door mengsels te splitsen. Dat lukte in 1993 bij een zogeheten alkeen, een molecuul dat bestond uit twee koolstofatomen die beide eenzelfde kluwen van atomen vasthielden. Getekend op een vel papier leek het molecuul op een platgeslagen '8', maar in werkelijkheid staken de lussen net iets over elkaar heen. En kende het daardoor twee varianten die elkaars spiegelbeeld waren.

Het lukte de onderzoekers om met behulp van uv-licht de verbinding tussen de twee koolstofatomen los te schieten waardoor de lussen konden omklappen. Op die manier konden ze in een mengsel dat half links-, half rechtsdraaiend was, de verhouding een beetje verschuiven. Naar 55 tegen 45 procent bijvoorbeeld.

Doorbraak

Maar ze hadden ook een soort moleculaire schakelaar gemaakt. "Bovenal was het een doorbraak", zegt Feringa. "We konden nu niet alleen switchen tussen links en rechts. We konden het molecuul ook laten dóórdraaien. Als je het verschil tussen links en rechts niet beheerst, klappert zo'n molecuul maar wat op en neer als je het belicht. Maar doordat wij hem iedere keer dezelfde kant op tikten, kwam die vooruit."

Wetenschap is vijf procent inspiratie, vertelt hij, en 95 procent transpiratie. Dat geldt ook voor de organische chemie. "Het is ploeteren. Je moet veel tegenslagen overwinnen." Maar een paar jaar later is er dan toch de beloning: in 1999 publiceert Feringa met zijn groep in Nature een artikel waarin ze laten zien dat ze het molecuul drie rondjes hebben laten draaien. "Het is nog geen volwaardige buitenboordmotor waarmee medicijnen naar de juiste plaats kunnen worden gevaren", zegt hij dan in Trouw. "Maar we hebben het principe bewezen. Het is een begin: we kunnen licht omzetten in een gecontroleerde draaibeweging."

Was dit al een mijlpaal, het voorlopige hoogtepunt volgt in 2006 als de Groningers vier van die rotoren aaneen weten te smeden tot een heuse fourwheeldrive nanocar. De motor draait twaalf miljoen toeren per seconde, en de auto beweegt zich zichtbaar voort over een koperplaatje. Zichtbaar onder een elektronenmicroscoop dan, want het autootje is niet meer dan een paar nanometer (een miljoenste van een millimeter) groot. Ze halen er later de cover van Nature mee.

Dit was mijn klassieke 'eureka', zegt Feringa. "Bij die rotor wist ik al dat we iets hadden gemaakt dat nog nooit iemand voor ons had gepresteerd. Maar dat autootje zien rijden was echt heel bijzonder. Dat was echt een wow-moment!"

Verbrandingsmotor

Het nano-autootje had nog lichtflitsen nodig om vooruit te komen. Onlangs kwam Feringa met een autonome variant: een moleculaire auto met een chemische aandrijving. Een soort verbrandingsmotor. Het volgende doel is een elektrische auto.

Over het ultieme doel kan Feringa alleen nog maar dromen. Maar dan ziet hij transportsystemen voor zich die geneesmiddelen op de juiste plaats in het lichaam afgeven. Of die een tumorcel verlichten zodat deze met precisie bestreden kan worden. "Maar dan zijn we zeker dertig of vijftig jaar verder."

Voorlopig blijft het nog behelpen. Vergeleken met een gewone auto, of met natuurlijke transportsystemen in het lichaam, komt de Groningse nanocar krakkemikkig over. De onderzoekers hebben er bijvoorbeeld al een hele toer aan om hun auto 'op de weg' te houden. Het is nog altijd balanceren tussen 'niet te vast' omdat hij dan niet van zijn plaats komt, en 'niet te los' omdat hij dan wegzweeft. "Het gaat om het principe", herhaalt Feringa. "Het toestel waarmee de gebroeders Wright hun eerste vlucht maakten, lijkt in de verste verte niet op de huidige vliegtuigen. En de eerste transistor, die kort na 1945 werd gebouwd, was ook een ander ding dan wat nu in elektronica zit."

Het gaat ook niet om het kopiëren van de natuur. Zijn moleculaire machientjes hoeven niet op dezelfde manier door bloedbanen te bewegen als lichaamscellen. Een vliegtuig vliegt immers ook niet als een vogel. Maar vliegen doen ze allebei. Feringa: "Ik wil weten wat ervoor nodig is om een molecuul op commando te laten bewegen. Ik wil begrijpen wat daarvoor nodig is en de beste manier om daar achter te komen, is er zelf eentje proberen te bouwen."

Dat is dan weer geheel in de stijl van Richard Feynman. Toen deze in 1988 overleed, trof men op het schoolbord in zijn werkkamer de volgende uitspraak: "Wat ik niet kan bouwen, begrijp ik ook niet."

Nobelprijswinnaar Ben Feringa koos een vak waarin hij ook met zijn handen bezig kan zijn

Over het antwoord op de vraag wat hij met het geld van de Nobelprijs (275.000 euro) gaat doen, hoeft hij niet lang na te denken. Feringa mag dan wel 65 zijn, zijn vak biedt nog volop uitdagingen.

Maar een deel van het geld wil hij ook buiten de universiteit besteden. "Ik zie het als mijn taak om de maatschappij en de politiek ervan te overtuigen dat dit land zijn fundamenteel onderzoek heeft verwaarloosd. We hebben het de afgelopen tien jaar laten verpieteren."

Begrijp hem goed, voor Feringa zelf hoeft het niet. Hij redt zich wel, hij heeft zijn schaapjes op het droge. Hij doet het voor zijn studenten. Daar zit het talent, daar moet het land het van hebben. "In de eerste plaats ben ik docent. Ik geef veel college, ook in het eerste jaar. Ik wil jongeren enthousiast maken voor dit vak. Maar dan moeten we ze wel wat te bieden hebben. Uitdagende onderzoeksfaciliteiten. Anders zoeken ze hun geluk elders."

Het is Ben Feringa ten voeten uit. Het hoort tot de academische mores om bij een prijs iedereen in de omgeving erbij te betrekken, bij hem weet je dat hij het meent. Hij is geliefd bij zijn studenten en zijn collega's, hij staat bekend om zijn enthousiasme en als nuchtere Drent in Groningen zal hij ook met een Nobelprijs op zak niet naast zijn schoenen gaan lopen. Tegenover de internationale pers verontschuldigde hij zich woensdag bij zijn dochter omdat hij de uitreiking van haar bachelor bewegingswetenschappen had gemist. "Met je master ben ik erbij."

Bernard Lucas Feringa wordt op 18 mei 1951 geboren in het Drentse Barger-Compascuum. De boerenzoon groeit op in een gezin van negen. Aan de keukentafel wordt vaak stevig gediscussieerd. Waarom groeit de ene plant zus en de andere zo? Waarom drijven de wolken voorbij? Het prikkelt zijn exacte geest. Na zijn middelbare school kiest hij voor een studie chemie in Groningen. "Een vak ook waar je met je handen bezig bent. Waar je iets maakt, waar je kunt ruiken dat je iets maakt."

Na zijn promotie werkt hij tien jaar bij Shell, en keert in 1988 als hoogleraar terug naar Groningen. Sinds 2003 bekleedt hij er de Van 't Hoff-leerstoel, genoemd naar de Nederlander die in 1901 de eerste Nobelprijs voor scheikunde won. In 2004 krijgt Feringa een Spinozapremie, de hoogste wetenschappelijke onderscheiding in Nederland. Sinds 2008 is hij Akademiehoogleraar.

Hij wil nu wel bekennen dat hij de afgelopen jaren diverse aanbiedingen heeft gehad. Mooie aanbiedingen van vooraanstaande instellingen. Hij heeft ze allemaal afgeslagen. Voor zijn gezin dat altijd voor hem klaar stond. Voor de universiteit die hem altijd een inspirerende werkomgeving heeft geboden.

En vanwege het Groningse land. "Wat is er nou mooier dan elke ochtend op de fiets te kunnen stappen en dan van Paterswolde naar het Zernike-complex te rijden?" Beseft hij wat hij nu zegt? Frits Zernike was tot nu toe de enige Groningse Nobelprijswinnaar (1953). Tal van straten en gebouwen in Groningen zijn naar hem vernoemd. Wellicht zit scheikunde straks in het Feringagebouw. Hij maakt een afwerend gebaar: doe niet zo gek.

De nano-auto, een moleculair machientje

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden