Chemici blijven hangen in moleculen

Geen opmerkingen

Een oproep van George Whitesides, hoogleraar Harvard en prominent wetenschapper aan chemici om echte problemen aan te pakken. Misschien komt de chemische industrie dan ook met compleet nieuwe producten.

George Whitesides is een van de meest succesvolle chemici op aarde. De Mallinckrodt hoogleraar van Harvard staat al jaren bovenaan de lijst van meest geciteerde chemici. Hij is hoogleraar Chemie en Chemische Biologie, maar zijn werkterrein is nog breder. Hij gebruikt technieken uit de chipfabricage en past deze, bij voorkeur, toe in een biologische context. Maar Whitesides is ook niet vies van supramoleculaire chemie, een organische synthese, een computersimulatie of een fysisch chemische berekening.

Whitesides is een prominente adviseur van de Amerikaanse overheid. Hij was ook lid van de commissie van de American Chemical Society, onder voorzitterschap van Ronald Breslow, die een inventarisatie heeft gemaakt van de uitdagingen die er nog zijn voor de chemie (zie Jubileumnummer KNCV Een eeuw voorbij, van april 2004, pag. 32-36). Op uitnodiging van de KNAW sprak Whitesides eind oktober in Amsterdam. Een extra lang interview, want praten met een van de trendsetters van de moderne wetenschap over chemie levert meer dan genoeg stof.

Wat was het eerste experiment dat u ooit uitvoerde?

“Het leggen van stenen op de spoorbaan, in de hoop de steen te verbrijzelen en de trein te laten ontsporen.”

Uw eerste experiment was dus een mislukking?

“Ja, de trein is nooit ontspoord en zelfs de stenen kon ik nooit meer terug vinden. Als schooljongetje liep ik elke dag naar school langs de spoorlijn, achteraf ongelooflijk dat mijn ouders dat goed vonden. Vandaag de dag zouden ouders daar anders mee omgaan, maar de aanname toen was dat een zekere mate van intelligentie nodig was om te overleven. Dus als ik niet op tijd de trein kon ontwijken…”

U hebt vijf jaar geleden in een interview in het C2W gezegd dat nanotechnologie niet bestaat en dat men moet spreken van microtechnologie. Bestaat nanotechnologie inmiddels wel?

“Ja, er zijn twee soorten nanotechnologie: evolutionair en revolutionair. De eerste soort is te vinden in de chipindustrie. Wat we dachten dat een fundamentele limiet was aan de afmetingen van de elektrische circuits op een chip van rond de tien micron, blijkt er niet te zijn. Het is hoofdzakelijk een kwestie van geld, maar men moet wel tot 70-90 nanometer kunnen komen met de evolutionaire lithografische technieken.

Wat nieuw is, de buckybuizen en quantumdots, zal zeker een toepassing vinden. Daar ben ik zeker van. Oppervlakte chemie, waar één dimensie in het nano domein is, begint een belangrijk gebied te worden. Maar het duurt een tijdje voordat revoluties optreden. Het gebied waar de grootste kans is op een fundamentele verandering is in de toepassing van kwantummechanica in nieuwe devices. Denk aan de kwantumchaos-laser of fotonische bandgap-materialen. Devices waarin we gebruik gaan maken van kwantumeffecten als teleportatie, ‘actie-op-een-afstand’ of entanglements maken het pas echt spannend. Met de wetenschap gaat het goed op deze gebieden en we zullen zien waar de technologie mee komt.”

Het gaat niet zo goed met de farmaceutische industrie. Hoewel bedrijven in de ordegrootte van vijftien procent van hun omzet aan R&D besteden, komen er weinig medicijnen met een nieuwe werking op de markt. Hebt u een oplossing?

“Wat achteraf een blunder is gebleken, is combinatoriële chemie. Het idee dat je goed nadenken kunt vervangen door heel veel experimenten is fundamenteel een slecht idee. We moeten terug naar de basis om zaken als het hydrofobe effect te begrijpen, entropie, eiwitstructuren, et cetera. Als je niet van nadenken houdt, kost je dat vroeg of laat geld.

De farmaceutische industrie is een verhaal apart. Ze komen wel met nieuwe medicijnen, maar die zijn veel te duur. Maar ze hebben het grote voordeel dat hun klantenkring nooit kleiner wordt. We worden allemaal oud, ziek en gaan dood. Dus als de bedrijven komen met statines om de hart- en vaatziekten te controleren, sterven we gewoon aan de volgende kwaal: kanker, suikerziekte of Alzheimer. Het probleem dat farma heeft, is dat er aan de ene kant een overvloed van informatie op ze afkomt vanuit de celbiologie, maar dat ze tegelijkertijd onder druk staan van globalisatie, prijsverval, strengere regelgeving en steeds lastigere ziektes.

Een investering in R&D voor de directeur van een farmabedrijf is daarom lastiger te verantwoorden dan twintig jaar geleden. Dat is voor scheikunde een serieus probleem. Heel veel chemie is verbonden met de notie dat syntheseroutes nuttig zijn voor de farmaceutische industrie. Dat afnemend veld hebben we nodig. Als China nieuwe medicijnen gaat ontdekken, en waarom niet want daar zijn ze al mee bezig, dan moeten wij in het Westen echt iets anders gaan verzinnen.”

Dat geldt ook voor de chemische industrie?

“Ja, de chemisch industrie is in een fase, die misschien wel eeuwig duurt, waarin er nauwelijks nog nieuwe producten worden gelanceerd. Farma komt nog met ongeveer één medicijn met een nieuw werkingsmechanisme per jaar. Daar kunnen ze toch trots op zijn. Maar ik heb wel eens nagevraagd bij de redactie van Chemical & Engineering News wanneer voor het laatst een nieuwe component op de markt was gebracht. We hadden met z’n allen geen idee wanneer dat voor het laatst gebeurd was! Waarom is dat? Als je kijkt naar de noden van de samenleving: het produceren van materialen waar vraag naar is op een economische en ecologisch verantwoorde wijze, de productie van energie zonder broeikasgassen, het immense probleem van de wereldwijde drinkwatervoorziening et cetera, dan zijn er uitdagingen genoeg.

Om redenen die ik niet volledig begrijp, heeft de grote chemische industrie weinig aan innovatie gedaan. Deels komt dat wellicht doordat ze gewend zijn per kilo te verkopen en niet per functie. Misschien ook omdat de chemische industrie historisch gezien nooit de concurrentieslag aangaat met haar klanten. Kijk naar DuPont. Tien jaar geleden was de beurswaarde rond de honderd miljard dollar waard. Inmiddels, na de verkoop van verschillende onderdelen, is het bedrijf nog maar rond de twintig miljard dollar. Dat is een forse daling. Het duidt erop dat chemie commercieel niet zo aantrekkelijk meer is, hoewel de noden van de maatschappij nog lang niet opgelost zijn.”

Hebt u hier wel eens met ceo’s over gepraat?

“Vroeger had ik veel contact met de chemische industrie, maar de laatste tijd is dat er nauwelijks nog. De chemische industrie is in vergelijking met de chip- of farma-industrie aanzienlijk minder geïnteresseerd in R&D. De directies zien R&D niet als een essentieel onderdeel van hun bedrijfsactiviteiten. Het bedrijfsplan is gericht op marketing en de beheersing van kosten en niet gebaseerd op innovatie. Ik weet dat BASF en DuPont wel investeren in R&D, maar ik weet niet wat ze hopen dat eruit komt.”

‘De chemische industrie is in een fase waarin
nauwelijks nog nieuwe producten worden gelanceerd’
(Foto: Ivar Pel)

Op welke technologie zou u uw geld inzetten voor de toekomst?

“Er is een overvloed van mogelijkheden. De vraag is hoe je daar bedrijven omheen bouwt. Organische elektronica is voor mij een paradigma-verpletterend onderwerp. Gedurende meer dan vijftig jaar denken we dat als je elektronen rond wilt pompen je dat het beste kunt doen in silicium of metaal. Nu blijkt dat dat ook heel goed kan in organisch materiaal, zowel geleidend als halfgeleidend. Waarom is dat niet spannend? Het verhaal van de LED is ook interessant. Tien jaar geleden was het idee dat organische LED’s nooit zouden kunnen concurreren met niet-organische LED’s vanwege de korte levensduur. Volgens mij is dat inmiddels omgedraaid. Displays en dergelijke, gebaseerd op organische LED’s zijn duidelijk een multi billion dollar-busi ness. Met organische schakelingen moet het ook mogelijk zijn om elektronica te integreren met fotonica. Vraag is wie gaat dat allemaal doen? Blijven de chemische bedrijven hier langs de zijlijn staan? Zullen IBM, NEC en Philips de chemie gaan outsourcen?

Hoe ziet u de rol van China hierin?

“Het is goed je te realiseren dat China voor de communistische revolutie wetenschappelijk erg ver was. Ik ben er zeker van dat China een economische supermacht wordt. Behalve heel veel mensen en een indrukwekkend arbeidsethos heeft China heel veel geïnvesteerd in de kennisinfrastructuur. Bovendien hoeft onderzoek in China niet direct toepassingsgericht te zijn. Fundamenteel onderzoek in Europa en Amerika is nu zo nauw verbonden met het scheppen van banen. Het is heel moeilijk om nog gewoon uit nieuwsgierigheid iets te onderzoeken. Er wordt ook continu gevraagd: wat zijn de kosten? Wat heeft de maatschappij eraan? Wat is de sociale impact? Op zich legitieme vragen, maar onderzoek moet ook plaatsvinden puur en alleen omdat het interessant is. Dergelijke beperkingen zijn er in China niet. Het aantal wetenschappelijke publicaties uit China in serieuze bladen stijgt fors. Chinezen zijn zeker zo slim als wij zijn, hun arbeidsmarkt is zeer flexibel dus waarom zouden zij niet net zo goed als wij worden?”

U hebt dit jaar een veel gelezen essay geschreven in Angewandte Chemie. Daarin roept u chemici op zich te gaan bemoeien met de grote vragen die er nog zijn en problemen buiten hun eigen vakgebied aan te pakken. Wat zijn de reacties tot nu toe geweest?

“Positief, ik denk dat mensen het wel met me eens zijn. Scheikunde is ongelofelijk geavanceerd geworden. Che mici kunnen de wonderlijkste dingen doen. Maar, zijn dat de zaken die de wereld gaan veranderen? Helpen chemici op dit moment andere mensen om de toekomst vorm te geven?

Twee dingen houden mij bijvoorbeeld erg bezig. We weten dat een cel een zak is met doorgeefluiken waar aan de binnenkant chemische reacties bezig zijn. Echter, het systeem is fundamenteel anders want het is levend: het repliceert zichzelf, past zich aan de omgeving aan. Hoe kan dat? Wat is zo bijzonder aan deze set reacties binnen een cel die zorgen dat het levend is? Een bioloog is niet bijzonder geïnteresseerd in een dergelijke vraagstelling, die zijn meer beschrijvend bezig. Leven is een exercitie in gekoppelde katalyse. Wie gaat de kinetische analyse doen?

Een andere vraag is: in het begin van het leven was er een poel, een scheur in een rots waar funny chemistry begon. Iets werd autokatalytisch en ging zich spontaan vermenigvuldigen. Hoe is dat gebeurd? Wat betekent dat?

Autokatalyse is hier de sleutel, maar daar weten we eigenlijk weinig van. We kennen een handjevol autokatalytische reacties die we extensief gebruiken, denk alleen al aan de verbrandingsmotor. Maar chemie heeft nooit een pas op de plaats gemaakt om nieuwe autokatalytische reacties te verzinnen. Daar ligt een geweldige uitdaging. De chemie is echter momenteel reductionistisch. Chemici moeten niet ophouden waar de moleculen ophouden, maar de grote wetenschappelijke problemen aanpakken op welke lengteschaal dan ook. Chemists need to go downstream.”

Maar u hebt het boek van John Horgan The End of Science stimulerend genoemd. Zijn alle grote doorbraken inderdaad al gedaan?

“Nee, ben je gek? Horgan slaat de plank helemaal mis. Horgan verwart het einde van de klassieke fysica met het einde van de wetenschap. Wellicht zijn er geen nieuwe fundamentele wetten als die van Newton meer te ontdekken. Aan de andere kant als je mij vraagt naar de oorsprong van het leven? Hoe je van soep gaat naar iets wat leeft? Wat de basis is van intelligentie? Dan heeft niemand daar een antwoord op. Dat zijn allemaal grote vragen die wat mij betreft veel interessanter zijn de reductionistische aanpak van de klassieke natuurkunde. Dat laatste is heel belangrijk om te weten, maar was alleen een opwarmertje. De nieuwe uitdagingen liggen op het vlak van de complexiteit. We moeten in zekere zin wetenschap opnieuw opbouwen. Biologen voelen zich niet zo comfortabel met kwantitatief werk. Chemici zijn erg reductionistisch ingesteld, blijven een beetje hangen in de moleculen. En fysici brengen de wereld graag terug naar een enkele vergelijking. Geen van deze benaderingen past bij vragen over levende systemen.

Ik breng graag het onderscheid aan tussen reductionistische wetenschap en constructieve wetenschap. Reductionisme is een beest nemen en het uit elkaar halen tot je op genniveau zit. De constructieve aanpak begint met eenvoudige onderdelen die gaandeweg complexer worden en daarmee van karakter veranderen, bijvoorbeeld van transistor tot internet. Om eerlijk te zijn is dat wat ingenieurs feitelijk doen.”

***Kader***

Feitelijk

In het essay getiteld Assumptions: Taking Chemistry in New Directions geeft Whitesides een lijstje met aannames, impliciet in onze maatschappij, die in de toekomst onder druk kunnen komen te staan. Een verkorte weergave: