Het eerste wat opvalt als je het kantoor van Chad Mirkin binnenstapt is een muurvullend whiteboard. ‘A big whiteboard for big ideas’, aldus de nanotechpionier. Dat is zeker passend, want Mirkin, hoogleraar aan Northwestern University in Evanston (Illinois) deinst niet terug voor de grote uitdagingen waar we momenteel voor staan. Om die grote vraagstukken aan te pakken richt hij zich op het hele kleine: nanotechnologie. ‘Zodra materie op nanoschaal is gestructureerd gedraagt die zich heel anders’, legt Mirkin uit. ‘Dus het veranderen van de structuur op die schaal is een heel krachtige manier om nieuwe eigenschappen en nieuwe mogelijkheden te ontdekken.’  

Juiste plek, juiste tijd 

Volgens Mirkin was hij bij de start van zijn loopbaan precies op het juiste moment op de juiste plaats. ‘Er waren net chemische inzichten en technieken voor de analyse van oppervlakten ontstaan, die het mogelijk maakten om heel kleine structuren te onderzoeken. Ik wilde die methoden gebruiken om processen op nanoschaal te begrijpen en te sturen, en ook ongewone manieren bedenken om nanostructuren te ontwerpen, te synthetiseren en toe te passen.’  

Een van zijn grote doorbraken was de ontwikkeling van zogeheten spherical nucleic acids (SNAs). Mirkin: ‘Het was verbazingwekkend om te zien dat we DNA op nanoschaal zo konden herstructureren dat het een niet-natuurlijke sferische structuur aannam. Daarmee ging een wereld aan nieuwe mogelijkheden open.’ In tegenstelling tot ‘normaal’ DNA kunnen SNAs cellen binnendringen en ze binden veel sterker aan targets, wat ze heel nuttig maakt voor diagnostische en therapeutische toepassingen.  

‘Wij lieten zien dat de manier waarop je de componenten rangschikt ook bepalend is’ 

Rationele vaccinologie 

De ontdekking van SNAs zette ook een ander onderzoeksgebied in gang: rationele vaccinologie. ‘Er was tot dat moment heel weinig bekend over het belang van structuur in vaccins’, zegt Mirkin. ‘Wij lieten zien dat het niet alleen draait om de componenten in het vaccin, maar dat de manier waarop je die componenten rangschikt ook bepalend is. Je kunt heel vaak de werking van een vaccin of immuuntherapie flink verbeteren door alleen maar de nanostructuur aan te passen.’  

Met deze inzichten op zak wisten Mirkin en zijn team een zeer effectief COVID-19 vaccin te ontwikkelen en immunotherapieën voor zeven verschillende typen kanker. Al deze indicaties vragen om een eigen benadering, maar het team zag wel enkele algemene trends bij het verbeteren van SNA-geneesmiddelen. ‘Je moet zorgen dat de kinetiek van de signaaltransductie, de antigenpresentatie en de immuunstimulans op elkaar zijn afgestemd. Die kinetische balans is nodig om het middel optimaal te laten werken.’  

Kleinste pen 

Een ander onderwerp waar Mirkin heel enthousiast over is betreft de tools die ze hebben hebben ontwikkeld om zogeheten megalibraries te creëren. ‘Dip-pen nanolithografie was het eerste voorbeeld. We gebruikten een scanning probe microscoop als een synthese- en productie-instrument’, legt Mirkin uit. ‘Nu hebben we dat omgezet naar een parallelle tool.’ Het systeem beschikt nu over een hele set elastomeer nanopiramides op een glas substraat waarmee onderzoekers nieuwe ruimtelijke structuren kunnen maken met behulp van de top van iedere piramide. ‘We kunnen bijvoorbeeld een polymeercoating met verschillende verhoudingen aan metaalionen aanbrengen op de piramides. Onder de juiste omstandigheden kunnen we dan kleine dotjes polymeer creëren die als een nanoreactor fungeren voor de reductie van metaalionen. Dan blazen we het polymeer eraf en de gereduceerde metaalionen vormen een minuscuul deeltje. En ieder nanodeeltje is net anders, afhankelijk van het bewuste chemische ontwerp.’  

 ‘We hebben de schaakstukken allemaal goed opgesteld, nu moeten we alleen nog het spel winnen.’  

Miljoen piramides 

Met deze techniek ontwikkelt Mirkin allerlei nieuwe materialen. ‘Er zitten 160.000 piramides in zo’n opstelling, dus we kunnen in één experiment echt enorme veel verschillende materialen maken. Deze megalibraries bevatten meer nieuwe materialen dan wetenschappers bij elkaar opgeteld tot nu hebben gemaakt.’ De volgende, heel belangrijke, stap is het screenen van al die nieuwe materialen. ‘Het is mogelijk om de gehele chip te screenen voor de gewenste chemische of fysische eigenschap, maar je moet wel precies de juiste technieken en omstandigheden vinden. Dat kost tijd, maar ik ben ervan overtuigd dat dit veld de komende tien jaar explosief zal groeien, omdat we niet alleen nieuwe materialen nodig hebben, we hebben ze ook heel snel nodig.’ Uiteindelijk hoopt Mirkin dat zijn onderzoek echt iets bijdraagt aan de wereld. ‘Ik denk dat we echt op de goede weg zitten om mensen te helpen die werken in het kankeronderzoek en in het milieu- en energieveld. En ook in nog veel andere gebieden. We hebben de schaakstukken allemaal goed opgesteld, nu moeten we alleen nog het spel winnen.’  

Deze publicatie is tot stand gekomen met steun van het VWN Tripfonds onder beheer van de Vereniging voor Wetenschapsjournalistiek en -communicatie Nederland.