Belgische wetenschappers willen in het ChIMiC-project de kwaliteit en de snelheid van multidimensionale chromatografie een impuls geven. Dit om het dreigende stuwmeer aan detectie- en analysevragen te kunnen verwerken.

‘Complexe samples analyseren is mogelijk, maar nog niet eenvoudig’, vertelt Gert Desmet van het Centre for Molecular Separation Science & Technology van de Vrije Universiteit Brussel (VUB) over de opkomende analysetechniek multidimensionale chromatografie. ‘Denk eens aan de hoeveelheid chromatografische technieken die je kunt inzetten en aan alle modi binnen een enkele techniek. En bedenk dan hoeveel opties je krijgt als je twee of drie scheidingstechnieken combineert bij multidimensionale chromatografie. Dat maakt het aantal opties om uit te kiezen oneindig. Er zijn zo veel combinaties mogelijk dat je door de bomen het bos niet meer ziet.’

Onderzoekers in de life sciences en analytische chemie zijn de laatste jaren doordrongen geraakt van de meerwaarde van multidimensionale chromatografie. Die aanpak biedt goede kansen om samples te analyseren die uit zo veel componenten bestaan dat de detectie van elk specifiek molecuul voorheen problematisch was. Met multidimensionale chromatografie kun je in uitgeademde lucht een biomarker voor een bepaalde ziekte detecteren, minieme sporen vinden van gif in mengsels van duizenden gelijkende moleculen in drinkwater en sporen blootleggen van een medicijn in een bloedsample.

De vraag naar de geavanceerde scheidingstechniek stijgt de laatste jaren snel, met name in de life sciences, evenals de eisen die onderzoekers stellen aan de analyse van hun complexe samples. Met de huidige stand van de techniek kost het veel tijd om de steeds meer gedetailleerde onderzoeksvragen te beantwoorden. Onder­zoekers vinden de beste scheidingstechniek grotendeels door trial-and-error. Zo dreigt een stuwmeer aan serieuze detectie- en analysevragen te ontstaan die met de huidige techniek in geen jaren nog is weg te werken. Een unieke gezamenlijke inspanning van vijf onderzoeksgroepen in België moet daar de komende jaren bestendige verandering in brengen.

Miniaturisatie en automatisering

Onder het acroniem ChIMiC (Chemical Information Mining in a Complex world, zie onder) zetten Desmet en collega’s in Brussel, Gent, Leuven en Luik samen hun kennis en vaardigheden in om zowel de hardware als de software te ontwikkelen die zal leiden tot een prototype van een geautomatiseerd multidimensionaal analysesysteem.

‘We moeten data op een zinvolle manier kunnen samenvatten’

De groep van Desmet brengt zijn expertise in op het gebied van miniaturisatie en automatisering van met name de vloeistofchromatografie en VUB-collega Bas Eeltink buigt zich met zijn bio-analytical separation science-groep over de ontwikkeling van microfluïdische chips waarmee je verschillende types scheidingskolommen kunt koppelen. Eeltink: ‘We willen naar een geautomatiseerd systeem dat alle vormen van vloeistofchromatografie, gaschromatografie en massaspectrometrie aan elkaar kan koppelen. Dus ook elektrisch gedreven ionen-chromatografie aan drukgedreven scheidingsmethodes. Dat vergt nieuwe chips met nieuwe membraantechnologie.’

Aan de KU Leuven buigt Deirdre Cabooter van de groep farmaceutische analyse zich over de automatisering van het beslissingsproces dat ervoor zorgt dat de toekomstige ‘analyse-automaat’ los van de intuïtie van de bedienende analist zelfstandig de meest optimale en efficiënte scheidingsmethode kiest en inzet. Samen met de andere deelnemers gaat zij algoritmes ontwikkelen die bij elk sample voorspellen welke van de mogelijke combinaties van scheidingen het beste vertrekpunt vormen voor het geautomatiseerde analysesysteem.

Tijdschalen en macromoleculen

Aan de Universiteit van Luik is de organic and biologic analytical chemistry-groep van Jef Focant bezig de verschillende tijdschalen te moduleren waarop de diverse vormen van chromatografie en massaspectrometrie zich momenteel nog bevinden. ‘Met de ene techniek meet je in minuten, bij andere gaat het over seconden of zelfs nanoseconden. Door steeds meer dimensies toe te voegen in de chromatografie, ontstaan data-matrices die mensen al gauw niet meer kunnen bevatten.’ Focant meent dat het daarom belangrijk is om het aantal dimensies weer te reduceren. ‘Dat kan alleen als we data op een zinvolle manier kunnen samenvatten. Wij willen dat deels via machine learning aanpakken, maar zoiets vergt hoe dan ook redelijk complexe statistiek. ’

Het departement organische en macromoleculaire chemie van Frederic Lynen aan de Universiteit Gent brengt veel kennis in over macromoleculen die van pas komt bij de synthese van nieuwe types scheidingskolommen, bijvoorbeeld op basis van temperatuurresponsieve polymeren. Hiermee kun je retentietijden in nieuwe stationaire fases meer schakelbaar maken, wat een betere herfocussering van het sample tussen verschillende scheidingsstappen mogelijk maakt. Lynen: ‘Een voordeel voor biologische samples is dat de polymeren voor die kolommen goed werken met water als mobiele fase. Wij verwachten dat je ze ook goed kunt toepassen in andere solventen, zoals hexaan of superkritisch CO₂. Maar op dit moment is over dat laatste nog vrijwel niets bekend.’

Uitvoerende werk

De vijf deelnemende onderzoeksgroepen gaan de financiering van zo’n € 4 miljoen de komende vier jaar besteden om samen een multidisciplinaire onderzoeksgroep van vijf postdocs en tien PhD-studenten te begeleiden. Een deel van die nieuwe onderzoekers is inmiddels geselecteerd. Een deel van de PhD-studenten werven ze deze zomer onder de pas-afgestudeerden. ‘Wij gaan ervan uit dat alle posities eind dit jaar ingevuld zijn en dat dan het uitvoerende werk kan aanvangen’, zegt Lynen.

‘We kunnen nu zonder financiële belemmering samenwerken’

Over vier jaar gaat de groep van Belgische analytici een prototype presenteren. Lynen: ‘Op een zeker moment moet de industrie het verder oppakken. Maar als wij slagen in onze opzet, heb ik weinig twijfel dat dit ook zal gebeuren.’ De markt weet zich dan gesteund door een nieuwe onderzoeksgroep van vijf postdocs en tien gepromoveerden die via het ChIMiC-project de expertise overerfden van het huidige multidisciplinaire consortium van analytische voorouders.

Wat is ChIMiC?

ChiMic (Chemical Information Mining in a Complex world) beoogt in één overkoepelend onderzoeksproject van vier jaar, gefinancierd door onderzoeksprogramma FWO EOS, gelijktijdig een aantal verbeteringen aan te brengen in zowel de hardware als de software voor multidimensionale chromatografie. Dit om enerzijds het scheidend vermogen van de techniek en anderzijds een efficiënte inzet van de krachtige technologie mogelijk te maken.

Het project is voor zover bekend de eerste formele samenwerking van deze omvang van analytisch chemici in Vlaanderen en Wallonië. Bas Eeltink van de VUB licht het belangrijkste voordeel van de samenwerking toe: ‘Natuurlijk kennen wij elkaar onderling al goed en wisselen we al veel langer informatie uit. We werken immers in aanpalende vakgebieden en wetenschap trekt zich weinig aan van geografische grenzen. Maar tot op heden was het moeilijk om vanuit de verschillende overheden gezamenlijke projecten gefinancierd te krijgen. Dat we nu ook zonder financiële belemmering formeel kunnen samenwerken, is een groot voordeel van het huidige FWO EOS programma.’