Innovatieve denkers laten zich inspireren door de natuur

12 december 2016

In Het ei van Midas verdiept Midas Dekkers zich in de wereld van innovatieve denkers die zich laten inspireren door de natuur. Michel Versluis, hoogleraar Fysische en medische akoestiek, is zo iemand.

Beter goed gejat dan slecht bedacht. De natuur is voor veel wetenschappers een belangrijke bron van inspiratie. Miljoenen jaren van evolutie hebben tal van ingenieuze oplossingen opgeleverd. Hiermee kunnen organismen overleven op bizarre plekken, indruk maken op de vrouwtjes, roofdieren te slim af zijn of juist hun prooien te pakken krijgen. Biomimicry heet het, de kunst afkijken bij de natuur. Daarover gaat het nieuwe programma Het ei van Midas. Bioloog Midas Dekkers verdiept zich in de wereld van innovatieve denkers die zich laten inspireren door de natuur, of het nu gaat om spinrag dat sterker is dan staal of slijmzwammen slimmer dan een navigatiesysteem.

Het klinkt simpel: shoppen in de natuur voor oplossingen van problemen. Toch is dat zelden de manier waarop het gaat. Ontdekkingen in de natuur die uiteindelijk leiden tot praktische toepassingen, komen meestal voort uit onderzoek dat wordt gedaan uit pure nieuwsgierigheid. Soms speelt toeval een grote rol. ‘Ik ben uitermate door nieuwsgierigheid gedreven,’ zegt Michel Versluis, hoogleraar Fysische en medische akoestiek aan de Universiteit Twente. ‘Wetenschap is nooit een vooraf geplaveide route. Soms krijg je een onverwachte inkijk in het probleem op een jolige vrijdagmiddag of ontdek je iets omdat de knoppen van het experiment fout staan ingesteld.’

Een klassiek voorbeeld van toevallige ontdekkingen is die van penicilline. In 1928 ontdekte Alexander Fleming het antibioticum op een met schimmel verontreinigde kweekplaat met stafylokokkenbacteriën. Rondom de schimmel lag een bacterievrij gebiedje. Deze observatie leidde uiteindelijk tot het eerste antibioticum. Ook in de loopbaan van Versluis speelt zo’n toevallige ontdekking van een natuurlijk fenomeen een grote rol. Wat begon met onderzoek naar de pistoolgarnaal, mondde uit in medische toepassingen.

Geknetter

Pistoolgarnalen vormen een speciale familie binnen de garnalen. Ze danken hun naam aan hun bizarre superwapen: een kanonvormige schaar die bijna net zo groot is als hun vijf centimeter lange lichaam. Hiermee produceren ze knallen met een volume tot wel 218 decibel. Een enorme klap. Boven water komt dat overeen met het geluid dat legaal vuurwerk maximaal mag maken (156 dB). Een kolonie pistoolgarnalen produceert een oorverdovend geknetter. Tijdens het laatste jaar van de Tweede Wereldoorlog gebruikten Amerikaanse onderzeeërs dit lawaai om ongehoord Japanse havens binnen te varen. Het geklap van de pistoolgarnalen maskeerde het geluid van de voortstuwing en fungeerde als een akoestisch schild voor de sonar van de Japanners.

Hoe zo’n klein beestje zulke harde knallen maakt, was voor biologen lange tijd een raadsel. ‘Ze dachten dat het kwam omdat de schaarhelften tegen elkaar knalden,’ vertelt Versluis. De werkelijke werking is veel exotischer, ontdekte hij. Versluis onderzoekt allerlei fenomenen met behulp van hogesnelheidscamera’s. Hij ziet dingen die niemand eerder heeft gezien. ‘Ik ben een ontdekkingsreiziger,’ zegt hij. ‘Alles wat wij zien, is nieuw. Dat heeft nog nooit iemand gezien. Het is net alsof je als eerste op de maan komt.’

Ruim vijftien jaar geleden richtte Versluis zijn hogesnelheidscamera op een pistoolgarnaal. Op zijn YouTubekanaal kun je zien hoe hij een garnaal vastzette in een aquarium en kietelde met een penseel. Het geïrriteerde diertje vuurde met zijn superwapen terwijl Versluis hem filmde met 40.000 beelden per seconde. Ter vergelijking: een gewone videocamera neemt 25 beelden per seconde op.

Hoe de pistoolgarnaal schiet

Oorverdovend

Niet de op elkaar klappende schaardelen veroorzaakten de knal, zo bleek, maar een imploderend cavitatiebelletje. In een vloeistof ontstaan belletjes door verwarming, bijvoorbeeld waterdampbellen in kokend water, maar ook als je de druk verlaagt. Bij atmosferische druk verdampt water bij 100 graden Celsius, is de druk lager, dan gebeurt dat bij lagere temperaturen. Een snel door het water bewegend object creëert onderdruk en daarmee cavitatiebelletjes. Neemt de druk vervolgens weer toe, dan imploderen ze.

Ook de dichtklappende schaar van de pistoolgarnaal maakt zo’n cavitatiebelletje. De punt van de schaar beweegt met een snelheid van twintig meter per seconde (72 kilometer per uur). Hierdoor schiet een waterstraaltje uit de schaar met een snelheid van dertig meter per seconde (108 kilometer per uur). Door de hoge snelheid creëert het waterstraaltje een gebiedje waar de dampdruk onder die van water ligt. Hier ontstaat een cavitatiebelletje. 600 microseconden later implodeert het belletje en dat geeft een oorverdovende knal. Tegelijkertijd zie je een lichtflitsje, dat ontstaat doordat de temperatuur oploopt tot liefst 5000 graden Celsius. Daarmee komt het in de buurt van de temperatuur op het oppervlak van de zon (zo’n 5500 graden Celsius). De pistoolgarnaal heeft dus een van de meest indrukwekkende wapens van het dierenrijk. Hij doodt er z’n prooien mee en schrikt er roofdieren mee af.

‘Deze ontdekking was een grote hit,’ vertelt Versluis. Na de publicatie ervan in de prestigieuze wetenschappelijke tijdschriften Science en Nature werd het verhaal van de pistoolgarnaal wereldberoemd. Het diertje figureerde in tal van televisieprogramma’s. Voor Versluis opende de ontdekking de deur naar de wereld van bellen. ‘De pistoolgarnaal was voor mij de eerste les over bellen,’ vertelt Versluis. ‘Hierna heb ik de vertaalslag naar andere toepassingen gemaakt.’

Materiaalschade

In het onderzoek van Versluis speelt de destructieve kracht van imploderende cavitatiebelletjes, vijftien jaar nadat hij de pistoolgarnaal zijn geheim ontfutselde, nog steeds een belangrijke rol. De pistoolgarnaal gebruikt het om aan eten te komen en te ontsnappen aan roofdieren. In de wereld van de scheepvaart is cavitatie bij scheepsschroeven ook een bekend, zeg maar gerust berucht verschijnsel. In dit geval ontstaan de belletjes door de onderdruk van de door het water malende bladen, wat veel trillingen en geluid veroorzaakt. Wanneer belletjes tegen de schroef imploderen, ontstaat een krachtige waterstraal in de richting van het oppervlak, met materiaalschade als gevolg.

Versluis onderzoekt nu medische toepassingen van cavitatie. Een probleem met bijvoorbeeld kankermedicijnen is dat ze niet alleen schadelijk zijn voor kankercellen, maar ook voor de rest van het lichaam. Daarmee is een chemokuur een heftige ingreep. Je zou het middel zijn werking het liefst alleen laten uitoefenen op de plek waar de tumor zit, en de rest van het lichaam met rust laten. Sinds enkele jaren experimenteren wetenschappers daarom met een oplossing die gebruik maakt van hetzelfde principe als de schaar van de pistoolgarnaal: sonoporatie.

Deze techniek opent cellen door gebruik te maken van ultrageluid (geluid met een hoge frequentie) om microscopische belletjes, die in het bloed worden geïnjecteerd, te laten imploderen. ‘Dat kan precies op de plek en tijd waarop we dat willen,’ vertelt Versluis. ‘Bovendien kunnen we allerlei biochemische plakkertjes [antilichamen, red.] aan die belletjes maken die ervoor zorgen dat ze aan specifieke cellen plakken. Dat kan bijvoorbeeld een tromboseprop zijn, een ontstoken vaatwand of een circulerende tumorcel. Vervolgens kun je ze met ultrageluid laten imploderen en zo medicijnen vrijlaten of gaatjes maken in de vaatwand, zodat medicijnen in het achterliggende weefsel hun werking kunnen doen.’

Bloed-hersenbarrière

In zijn nieuwste onderzoek bekijkt Versluis of je met behulp van sonoporatie de bloed-hersenbarrière kunt doorbreken. ‘De vaatwand in de hersenen is heel weinig doorlatend,’ legt Versluis uit. ‘Dat is om virussen en bacteriën buiten te houden. Tegelijkertijd maakt dat het ook moeilijk om medicijnen door die vaatwand te krijgen.’ De bloed-hersenbarrière maakt het lastig om medicatie tegen hersentumoren, de ziekte van Alzheimer en de ziekte van Parkinson op de gewenste plek te krijgen. Het gecontroleerd doorbreken van de bloed-hersenbarrière vormt een grote wetenschappelijke uitdaging.

Sonoporatie biedt een mogelijke oplossing. Dat wees onderzoek van Canadese collega’s van Versluis vorig jaar al uit. In het experiment kreeg een patiënt met een hersentumor chemotherapie en kleine belletjes in het bloed geïnjecteerd. Vervolgens richtten de wetenschappers ultrageluid op de plek waar de tumor zat. Hierdoor ontstonden tijdelijk gaatjes in de bloed-hersenbarrière en konden de moleculen naar binnen. Uren later sloot de barrière weer. De patiënt genas van haar tumor.

Hoewel de Canadezen al een eerste succes hebben geboekt, moeten de details van het werkingsmechanisme nog worden opgehelderd. ‘Je kunt met belletjes een gaatje maken in de vaatwand, zodat de medicijnen er voorbij kunnen. Tegelijkertijd moet je ervoor zorgen dat je dat heel gecontroleerd doet, zodat het gaatje ook weer snel sluit en bacteriën en virussen niet de kans krijgen om er daarna doorheen te komen.’ Versluis zoekt dat uit in zijn lab. ‘Dit is multidisciplinair onderzoek. Wij proberen de fysica op heel basaal niveau te begrijpen. De artsen benaderen het juist weer top-down.’

Om het proces beter te leren begrijpen, doen Versluis en zijn collega’s sinds kort onderzoek met een aan de Universiteit Twente ontwikkelde kunstmatige bloed-hersenbarrière. Dit is een chip met daarop een bloedvatwand gemaakt van levende cellen. De chip bootst de situatie zoals die in ons brein zit nauwkeurig na. ‘We kunnen nu voor het eerst een echte 3D-vorm onderzoeken. Het heeft ook de juiste elastische eigenschappen.’ Het onderzoek bevindt zich nog in de beginfase, en in de komende jaren probeert Versluis alles te weten te komen over de belletjes. Dat gaat op een vergelijkbare wijze als bij de pistoolgarnaal: door met de hogesnelheidscamera te filmen wat er gebeurt als je belletjes op het systeem loslaat. ‘Als fysicus wil ik weten hoe iets werkt en waarom iets werkt. Ik kleed het probleem daarom helemaal uit. Eén cel en één bel, en dan kijken hoe de interactie verloopt als je er ultrageluid op af stuurt.’

Het ei van Midas
Maandag 12 t/m vrijdag 16 december, NPO 2, 19.50-20.25 uur