Hoe kan leven ontstaan uit dode chemie? Dat is de vraag die Wilhelm Huck hoogleraar Fysisch organische chemie aan de Radboud Universiteit probeert op te lossen.

10 juni werd bekend dat hij een NWO Spinozapremie ontvangt, de hoogste Nederlandse onderscheiding in de wetenschap. Bij de prijs hoort 2,5 miljoen euro voor onderzoek.

In zijn zoektocht naar wat leven is, begint Huck bij het begin. Hij beschouwt het leven als een zakje met moleculen – een cel vol met chemie. Die chemie staat nooit stil, het is een  groot netwerk dat  moleculen opneemt als bouwstof en afvalstoffen uitscheidt. Om dit na te bootsen maakt Huck netwerken van biochemische reacties die elkaar initiëren, versterken of remmen. Een voorbeeld is de vorming van een actief enzym (trypsine) uit een niet-actief prozyme (tryspinogeen), gekoppeld aan een tegengestelde reactie waarin de vorming van een trypsineremmer geïnitieerd wordt door trypsine.
Zo proberen we erachter te komen wat de cruciale stappen zijn om vanuit een netwerk een systeem te krijgen dat we  levend zouden kunnen noemen – dat steeds doorgaat met stoffen maken en afbreken en weer maken. Een netwerk in evenwicht is gewoon dood, daar zijn alle moleculen naar een eindpunt gereageerd.’

Van klein naar groot
Zijn bottom-up benadering is totaal anders dan die van biologen die naar cellen kijken en zo proberen te begrijpen hoe die werken. ‘Als wij E. Coli uit elkaar halen en alle chemische componenten weer bij elkaar vegen, gaat het geheel niet weer leven. Er is geen recept om de bouwstenen zo samen te voegen dat ze leven maken. Maar hoe het wel werkt? Eerlijk gezegd weten we nog niet eens of er een uniek recept is, of dat er meerdere wegen naar leven leiden. We staan aan het begin en realiseren ons nog maar net ten volle de complexiteit van de vraag.’

Hucks aanpak verschilt ook sterk van de onderzoekers die kijken hoe ver ze kunnen gaan om een cel te strippen van onderdelen. Zo maakte Craig Ventor een levende cel met maar vierhonderd genen, tot nu toe het minimum. Volgens Huck levert ook deze benadering – hoe spectaculair ook – geen antwoord op de cruciale vraag wat de minimale omvang is van een netwerk van reacties om levend te kunnen worden. ‘Ventor weet niet wat al die genen doen en waarom juist deze, in deze combinatie, de cel levend maken. Het is zoals een auto strippen van onderdelen die er minder toe doen. Maar zo ontdek je niet hoe een motor werkt.’

‘Nu begint het leuke deel’
Niet minder dan een revolutie, noemt Huck de netwerkbenadering van de chemie. ‘Dit is wezenlijk anders dan wat chemie tot nu toe was: individuele reacties tussen moleculen met een duidelijk reactieproduct. Tienduizenden zijn er gevonden. Terugkijkend is dat het saaie stuk. Nu begint het leuke deel van de chemie. Nu gaan we kijken wat er onderling gebeurt, in dynamische netwerken van moleculen. In ons Zwaartekrachtprogramma doen we dit al een beetje. Ik denk dat het groot gaat worden.’

Dat denkt ook de Simons Foundation in New York  die Huck per 1 juli benoemd heeft tot Investigator van de Simons Collaboration on the Origin of Life. Opgericht door een miljardair met een fascinatie voor extreem onderzoek dat via normale wegen nauwelijks te financieren is, zoals die naar de herkomst van het leven. Vier keer per jaar zal Huck op Harvard of in New York te vinden zijn. ‘Mijn nieuwe collega’s daar komen van Harvard, Cambridge, Cornell, Princeton, München en Scripps. Ze werken aan spannende, wilde hypotheses, intellectueel heel uitdagend.’

Nieuwe wegen
De nestor van de Nijmeegse chemici, Roeland Nolte, wijst er op dat Huck ook zichzelf heeft vernieuwd. ‘In Cambridge werkte hij aan polymeren. Dat onderwerp heeft hij volledig verlaten en is in Nijmegen aan iets nieuws begonnen, helemaal vanaf nul en zonder eerdere ervaring, namelijk de synthetische cel. Als eerste stap in die richting heeft hij nieuwe oscillerende chemische systemen. Reacties die steeds maar doorgaan en geen evenwichtstoestand bereiken. Dat is een buitengewoon lastig onderwerp, waarbij metingen worden gecombineerd met berekeningen en simulaties. Hij heeft het binnen vijf-zes jaar op de rails gekregen met fantastische publicaties in Nature Nanotechnology, Nature Chemistry, en Nature Materials.
Wilhelm organiseert zijn onderzoek heel efficiënt, helemaal zelf, zonder een medewerker of technicus, allemaal met postdocs en promovendi. Hij was dat in Cambridge natuurlijk ook zo gewend. Hij heeft zich de eerste jaren verre gehouden van bestuurlijke activiteiten om zich zo helemaal te kunnen concentreren op het van de grond krijgen van zijn programma. En met succes dus!’

Om zijn chemische netwerken te bestuderen gebruikt Huck een flow reactor, een apparaatje waar een oplossing door fijne vaatjes loopt en waar op verschillende punten chemicaliën kunnen worden toegevoegd of metingen kunnen worden gedaan. Later hoopt hij ze ook in zijn druppelreactor te kunnen bestuderen. ‘Dan lijkt het nog meer op cellen omdat het afgesloten units zijn.’

Omdat in de drupjes van deze reactor maximaal één cel past, is deze ook geschikt om specifieke cellen te selecteren, bijvoorbeeld tumorcellen uit een grote hoeveelheid bloedcellen. De techniek wordt inmiddels toegepast door een mede door Huck opgericht bedrijf in Cambridge ‘Daar maken we apparatuur die geschikt is voor het maken van mono-klonale antilichamen, wat wil zeggen dat de antilichamen gegarandeerd uit één moedercel afkomstig zijn. We maken een heel verdunde suspensie van die cellen en vernevelen die. Veel drupjes zijn leeg, maar áls er een cel inzit, weet je zeker dat het niet meer dan een kan zijn. Met die ene cel kun je dan cellen kweken die antilichamen produceren zonder vrees voor verontreiniging uit andere cellen. In Nijmegen hebben we CytoFind Diagnostics opgericht. Hier gebruiken we dezelfde techniek om circulerende tumorcellen in bloed te identificeren. Dit bedrijf is nog in de opstartfase.’
Met de Radboud Nanomedicine Alliance http://www.ru.nl/nanomedicine/ werkt Huck samen met onder meer medici aan toepassingen van Nijmeegse nanomaterialen.

Spinozaplannen
Met de Spinozapremie wil Wilhelm Huck verder de grenzen van het leven opzoeken door te wat er precies gebeurt als een ingevroren of uitgedroogde ‘dode’ E. coli-cel ontdooid of gerehydrateerd wordt. ‘Dan gaat hij gewoon verder met leven. Wat gebeurt daar precies?’ Een andere wens is om nog veel preciezer de chemische verschillen tussen individuele cellen te meten. En natuurlijk zijn chemische netwerken zo fine tunen dat ze stabiliseren, zichzelf in stand houden en zich gaan vermenigvuldigen. Dat ze gaan leven en dat hij dan begrijpt waarom en wat dat dan is in chemische zin. Leven.

CV
Wilhelm T. S. Huck is sinds 2010 hoogleraar Fysisch organische chemie bij Institute for Molecules and Materials van de Radboud Universiteit. Hiervoor was hij hoogleraar Macromoleculaire chemie en directeur van het Melville Laboratory for Polymer Synthesis aan de Universiteit van Cambridge. Zijn onderzoek richt zich op de fysische biologie van de cel en de rol van de speciale condities in de cel voor het complexe netwerk van chemische reacties daarin.

Huck studeerde scheikunde in Leiden, promoveerde bij Prof. David Reinhoudt in Twente en deed een postdoc in Harvard, waarna hij aan het werk ging in Cambridge om daar in 2007 hoogleraar te worden. Hij ontving verschillende prijzen en belangrijke onderzoeksbeurzen zoals een ERC Advanced Grant in 2010 en een VICI in 2011.

In 2012 werd hij Fellow of the Royal Society of Chemistry, en lid van de KNAW. In 2016 start hij als onderzoeker van de Simons Foundation. Hij is medeoprichter van Cytofind Diagnostics en van Sphere Fluidics U.K

Huck verzorgt de vakken Physical Organic Chemistry en Chemical Biology voor studenten Scheikunde/Moleculaire levenswetenschappen/Biologie aan de Radboud Universiteit. Ook geeft hij geregeld lezingen, en lessen voor basisschoolleerlingen.

Bron: Radboud Universiteit