Hoe werkt de chemie in een cel? Dat is de vraag waarmee Wilhelm Huck, hoogleraar Fysisch organische chemie aan de Radboud Universiteit Nijmegen, zich de komende jaren bezighoudt. Klinkt oersimpel, maar Hucks methode is ingenieus: hij gaat cellen inpakken in picoliter druppels, die fungeren als kolf. Klinkt ook superfundamenteel, en dat is het, maar prachtige toepassingen in geneeskunde liggen in het verschiet. Chemische biologie heeft sowieso de toekomst, denkt Huck – bijvoorbeeld om chemie zelf ‘groener’ te maken. Wilhelm Huck houdt vrijdag 25 maart zijn oratie aan de Radboud Universiteit.

In een cel vinden talloze reacties plaats. De kennis die de wetenschap daarvan heeft, is vooral opgedaan door celbiologen, door bestudering van afzonderlijke processen. Maar de chemie in een cel, waar het een grote chaos van reacties en interacties is, daarvan weten we minder dan ons lief is, legt Wilhelm Huck uit. ‘Liefst zou je die chemie ook ín de cel willen bestuderen, maar dat gaat niet, want dan gaat die dood. Bovendien is één cel, geen cel: elke cel in een organisme, ook die zijn opgebouwd uit dezelfde bouwstenen en dus “dezelfde cellen” zijn, reageert toch weer anders.’

Duizenden kolfjes tegelijk
Dus zocht Huck naar een goed model en vond dat in een druppel. Om precies te zijn: in picoliter druppels water. Een picoliter druppel heeft een tiende van de dikte van een haar en ongeveer het volume van een cel. Zulke druppels kun je maken; daarvan kun je er tienduizenden per seconde maken zelfs, allemaal even groot, op een chip. ‘En in zo’n druppel breng je dan alle bouwstenen die ook in een cel aanwezig zijn; of je stopt een hele cel in een druppel, dat kan ook. Zo heb je tienduizenden reactorvaatjes die lijken op een cel: is normaal gesproken het celmembraan de begrenzing, nu is dat het olie-watergrensvlak.’
De techniek om een cel of celinhoud in series van tienduizenden picoliter druppels te krijgen is niet enorm ingewikkeld – als je eenmaal weet hoe het moet. Huck was in Cambridge, waar hij tot januari 2010 werkte, wel een van de eersten ter wereld die de techniek heeft ontwikkeld om cellen in druppels te simuleren of the bestuderen. En het is, in al zijn simpelheid, een innovatie van formaat: ‘Dit is voor chemici echt een nieuwe manier van werken: meestal kijken we naar één kolfje met een te bestuderen stof in een paar milliliteroplossing; nu kunnen we in diezelfde milliliters miljarden ‘druppelkolfjes’ tegelijk bekijken.’

Vind de vijf tumorcellen
Omdat op deze manier zulke grote aantallen druppels met cellen of celinhouden bestudeerd kunnen worden, is het niet erg dat cellen kunnen variëren: de steekproef is groot genoeg om conclusies aan te verbinden. Tegelijkertijd zijn de cellen die afwijken duidelijk te zien en nader te bestuderen. En dat maakt, op termijn, de techniek interessant voor toepassingen in de geneeskunde. ‘Bij kanker bijvoorbeeld kunnen vijf tumorcellen op vijf miljard gezonde cellen in een paar milliliter bloed al tot uitzaaiingen  leiden. Maar vind die vijf tumorcellen maar eens. Als je met onze techniek een paar milliliter bloed opsplitst in miljarden picoliter druppels-met-celinhoud kun je in de toekomst die miljarden allemaal doormeten en vínd je die vijf cellen waarvan je heel precies wilt weten: wat gebeurt daar?’
Ook voor (auto)immuunziekten, waarbij het eveneens speuren is naar afwijkende cellen, kan de techniek werken. ‘Als je weet welke cellen betrokken zijn bij een ziekte en wat daarin precies gebeurt, kun je, is het idee, werken aan heel gerichte therapie. Omdat je dan precies weet op welke details je moet aangrijpen.’

Gedetailleerde geneeskunde en groenere chemie
Hucks onderzoek is veelbelovend. Een indicatie daarvan zijn onder meer de prijzen en subsidies die hij ervoor heeft ontvangen, zoals de Friedrich Wilhelm Bessel Research Award van de Von Humboldt-Stiftung (2009): een ERC advanced grant (2010; 2,15 miljoen) en een NWO VICI-subsidie (2011; 1,5 miljoen).
In Nijmegen sluit zijn onderzoek aan bij dat van collega’s die net als Huck toekomst zien in ‘chemische biologie’. Celbiologen uit het UMC St Radboud en het Nijmegen Centre for Molecular Life Sciences werken samen met chemici en andere materiaalkundigen uit het Institute for Molecules and Materials in projecten als die van Huck, die op termijn tot toepassingen kunnen leiden in personalized medicine en regenerative medicine, waarbij het ‘aangrijpen op details’ zo belangrijk is.
Een ander veelbelovend Nijmeegs ‘chemische biologie’-project is de ontwikkeling van bionische cellen. ‘Als je biologisch en chemisch de cel goed begrijpt, kun je wellicht synthetische componenten toevoegen waarmee je de werking van de cel verbetert. Daarbij denken wij met name in de richting van betere manieren om energie om te zetten in andere energie: als je grondstoffen, groen of anderszins, met minder verlies van energie kunt verwerken naar een eindproduct, ben je bezig met groenere chemie. We staan aan het begin, maar aan zo’n ontwikkeling willen wij graag meewerken.’ 

Wilhelm Huck (1970) is sinds 1 januari 2010 hoogleraar Fysisch Organische Chemie aan de Radboud Universiteit Nijmegen. Hij studeerde chemie in Leiden en promoveerde bij prof. David Reinhoudt  bij het MESA+ instituut aan de Universiteit Twente. Na een postdoc aan de Harvard University (US) ging hij werken bij de Faculteit Chemie van de Universiteit van Cambridge waar hij in 2004 directeur werd van het Melville Laboratory for Polymer Synthesis en in 2007 hoogleraar Macromolecular Chemistry.