Wetenschap - 21 april 2011

Op de vierkante nanometer

tekst:
Gastredacteur

Nanotech wordt steeds meer bionano en daarom deelt Wageningen UR stevig mee in de miljoenensubsidie van NanoNextNL. Over computerchips met een suikerlaagje, perfecte microballetjes met vitamines en de risico's van nanodeeltjes. 'Dan zit je dus echt naar drie keer niks te kijken.'

Han Zuilhof met de Auger-elektronenspectroscoop.
Han Zuilhof met de Auger-elektronenspectroscoop.

Foto: Bart de Gouw, illustratie: Yvonne Kroese

Twintig miljoen voor nano- en microtechnologisch onderzoek aan voeding, materialen, sensoren en risico's. Het financiële staatje aan de muur in kamer van hoogleraar organische chemie Han Zuilhof laat de getallen zien. Bijna tien miljoen is afkomstig van het programma NanoNextNL, acht miljoen wordt bijgepast door Wageningen UR, in de vorm van inzet van personeel en apparatuur.
Nanotechnologie wordt eerder geassocieerd met de drie technische universiteiten, dan met Wageningen UR. Volgens Zuilhof, coördinator van het programma binnen Wageningen UR, klopt dat beeld niet. Zuilhof was al betrokken bij de voorgangers van NanoNext; NanoNed en MicroNed, projecten waarin Wageningen flink meedeed. Net als in NanoNed is Zuilhof ook nu weer de de grootste deelnemer.
Wageningen doet het volgens hem goed omdat het in staat is om fundamenteel onderzoek te combineren met kennis van wat het bedrijfsleven voor toepassingen zoekt. Zuilhof: 'Traditioneel komen in technologische programma's de drie technische universiteiten boven. Gaat het om fundamenteel onderzoek, dan komen grote universiteiten als Utrecht naar voren - daar werken veel mensen. Maar wat bij NanoNext aan de orde is: je moet fundamenteel hoogwaardig zijn en tegelijkertijd ervoor zorgen dat je participerende industrie weet te committeren voor een gelijke hoeveelheid financiering. Daarin zijn we in Wageningen kennelijk heel goed.'
Duizenden op een nagel
Zuilhofs expertise ligt op het gebied van bio-actieve moleculen zoals complexe suikers en het chemisch koppelen daarvan aan allerhande oppervlakken. Een van de acht projecten waarin Zuilhofs groep meedoet, vindt plaats in samenwerking met hoogleraar microbiologie Willem de Vos en het bedrijf Microdish. Microdish ontwikkelde een bacteriekweekchip die met minuscule kweekvlakjes - duizenden op een vingernagel - bacteriën kunnen kweken, om ze vervolgens te kunnen tellen en determineren. Zuilhof: 'We willen dat kweeksubstraat zo modificeren dat het de ene bacteriesoort wel bindt, en anderen niet. Zodat je een voorscheiding kunt maken en de test veel gevoeliger wordt.' Hij wil dat bereiken door er suikerverbindingen of antilichamen aan te koppelen. 'Dat laagje is maar twee nanometer dik, precies de laagdikte van een molecuul.'
Vervolgens wordt er veel energie gestoken in onderzoek van het nanolaagje. Zuilhof: 'In de nanotechnologie zie je veel mooie presentaties met fraaie graphics, die suggereren hoe een molecuul op een oppervlak zit. Maar als je het werkelijk wilt aantonen wat erop zit, staan er vaak natuurwetten tussen droom en daad.'
Een zes ton kostende Auger-elektronenspectroscoop levert dat bewijs wél. Met de microscoop, die sinds een jaar in het lab staat, kan een oppervlak van 30 bij 30 nanometer en twee nanometer diep in kaart worden gebracht. Zuilhof: 'Dan zit je dus echt naar drie keer niks te kijken. En dan pas kan ik zeggen wat erop zit.' Zuilhofs 'wagenpark' is volgens hem een van de redenen waarom zijn groep zoveel projecten naar zich toe wist te trekken. 'We zijn zeer goed geoutilleerd.' 
Microfluidica
Een ander nanoproject richt zich op microfluidica: chemische reacties en vloeistofstromen in een glazen flowreactortje met het formaat van een visitekaartje. Daarin stromen de afzonderlijke ingrediënten via kanaaltjes van tien tot honderd micrometer naar elkaar toe. Via de microkanaaltjes kunnen bijvoorbeeld emulsies van olie in water worden gemaakt met zeer uniforme druppelgrootte van 10 micrometer. Dit onderzoek doet Zuilhof in samenwerking met Karin Schroen binnen de groep van Remko Boom. 'De druppels die daaruit komen zien er onder een microscoop uit als perfecte, gelijkvormig knikkers. Daar willen we verbeteringen in aanbrengen, en complexere structuren maken - balletjes in balletjes bijvoorbeeld.
Ander microstructureringsonderzoek binnen Booms groep is de vorming van eiwitvezels. Atze-Jan van de Goot doet al jaren intensief onderzoek naar het structureren van eiwitten voor vleesvervangers. 'Voor vlees, brood en kaas geldt dat structuren op nanoschaal de eigenschappen op macroschaal bepalen', aldus Van der Goot. De manier waarop gluten of spiereiwitten een netwerk vormen bepaalt de stevigheid van een brood of de malsheid van vlees.
'Wij gaan altijd uit van bestaande voedselingrediënten en bestaande eiwitten en proberen daarvan de structuur te manipuleren', zegt Van der Goot. Dat is voor de voedselindustrie een belangrijke voorwaarde, want wie echt innovatief nieuwe ingrediënten ontwikkelt, krijgt te maken met ingewikkelde Europese Novel Food regels en ingewikkelde toelatingsprocedures.
'Bovendien is de industrie geïnteresseerd in microstructurering, en is men wat huiverig voor de term nanotechnologie in combinatie met voedsel, dat roept associaties op met nanodeeltjes.'
Groeiremmend nanozilver
Nanodeeltjes vormen de meer controversiële kant van de nanotechnologie. Met name maatschappelijke organisaties waarschuwden de afgelopen jaren voor onbekende risico's voor mens en milieu. Vooral koolstofnanobuisjes staan daarbij in de belangstelling, om dat die lijken op asbestvezels, mogelijk ook in de risico's die ze leveren voor ontstaan van longkanker.
Koolstofbuisjes hebben geen toepassing in consumentenproducten, maar dat geldt wel voor nanozilverdeeltjes in kleding en verpakkingen, als groeiremmer voor bacteriën. Of nanosilicia als antiklontermiddel in melkpoeder, titaniumoxidedeeltjes in verf, die in daglicht de afbraak van organische verbindingen katalyseren voor een 'zelfreinigend' oppervlak, danwel UV-absorberende zinkoxidedeeltjes in zonnecrème.  
De vraag is of die bijzondere eigenschappen voor onbekende effecten of risico's kunnen zorgen als ze in het milieu komen, of als mens en dier ze binnenkrijgen.
'Maar als ze in een voedselmatrix zitten of in het maagdarmkanaal, kun je dat niet meer vergelijken met de eigenschappen van de schone nanodeeltjes die de fabrikant gebruikte', zegt RIKILT-onderzoeker Hans Bouwmeester, die binnen NanoNext toxicologisch onderzoek doet. 'Je moet dus laten zien wat de eigenschappen van de deeltjes zijn in de matrix die jij onderzoekt. Het gaat  om de vraag of ze vrij beschikbaar zijn, of ze barrières zoals longen en darmen kunnen passeren. En waar komen ze dan terecht? We weten eigenlijk nog niet waarnaar we moeten kijken bij toxicologisch onderzoek naar nanodeeltjes: is dat DNA-schade, schade aan mitochondriën of het immuunsysteem?'
Combinatie van disciplines
Onderzoek naar biologische interacties met nanodeeltjes is volgens Bouwmeester een van de redenen waarom Wageningen goed scoort in deze financiering. 'Dat is toch iets waar de harde techneuten op de technische universiteiten in Twente en Delft minder mee uit de voeten kunnen.'
Zuilhof beaamt dat. 'In de nanosciences valt het woord bio steeds vaker, want daar liggen de interessante toepassingen. Ik lees tegenwoordig The Cell, omdat ik zie dat we daar naartoe moeten. En waarom willen externe partijen zo graag met ons samenwerken? Omdat we binnen de Wageningen UR chemici hebben, procestechnologen, moleculair biologen en microbiologen. En die mensen werken al veel langer samen, dus dat maakt onze positie binnen het nano-onderzoek heel sterk.'  / Arno van 't Hoog
NanoNextNL
NanoNextNL stimuleert onderzoek op het gebied van nano- en microtechnologie, met in totaal 250 miljoen euro, waarvan de helft afkomstig van de overheid en de andere helft van bedrijven en kennis­instellingen. Het programma is een vervolg op twee eerdere subsidie­rondes: NanoNed en Micro­Ned.
NanoNextNL heeft 27 programma's. Drie daarvan hebben een Wageningse directeur. Remko Boom, hoogleraar levensmiddelenproceskunde leidt het programma over voeding, Maarten Jongsma bij het PRI, is verantwoordelijk is voor het programma Food diagnostics en Han Zuilhof trekt het project over Biosensing & Microstructures.
Zuilhofs groep kan de komende vijf jaar 6,8 miljoen euro besteden aan onderzoek. Remko Boom heeft met ruim een miljoen euro het een na grootste aandeel. Ook de onderzoeksgroepen van van der Linden, Ivonne Rietjens, Martien Cohen Stuart en Nico van den Brink delen mee.
Nano, micro
Een nanometer is een miljardste meter, een micrometer een miljoenste meter. Om daar een gevoel bij te krijgen: een mensenhaar is tussen de 60.000 en 80.00 nanometer dik. Een glucosemolecuul is ongeveer 1 nanometer lang, een DNA-molecuul is ongeveer 2,5 nanometer dik.
Nanotechnologie richt zich kortom op de bestudering, productie en toepassing van moleculaire structuren en materialen die enkele tientallen tot honderden nanometers groot zijn. Dat kunnen biologische moleculen zijn zoals DNA, eiwitten en lipiden, maar ook liposomen, kleideeltjes of metaaldeeltjes.

Re:ageer