ERC Starting Grant voor drie TNW-onderzoekers

Vijf onderzoekers van de TU Delft krijgen van de Europese Onderzoeksraad een ERC Starting Grant. Drie van deze onderzoekers werken bij de Faculteit Technische Natuurwetenschappen, de andere twee zijn aangesloten bij QuTech. De grants (1,5 miljoen euro voor een programma van vijf jaar) zijn bedoeld om wetenschappers te ondersteunen die nog aan het begin van hun carrière staan, maar onder begeleiding al uitstekend werk hebben geleverd.

De grantees van TNW zijn Daan Brinks, Arjen Jakobi en David Vermaas. Lees verder voor een beschrijving van hun onderzoeksprojecten.

Daan Brinks
Het begrijpen van de hersenen is een van de grote wetenschappelijke uitdagingen van onze tijd. Dit streven is fundamenteel afhankelijk van vooruitgangen in de natuurwetenschappen en van de ontwikkeling van nieuwe manieren om hersenactiviteit te verstoren, vast te leggen en te interpreteren.

Informatie in de hersenen is gecodeerd in veranderingen in de membraanspanning van hersencellen. Spanningsbeeldvorming met behulp van genetisch gecodeerde spanningsindicatoren (GEVI's) is een revolutionaire methode die het mogelijk maakt om de elektrische dynamiek van een grote hoeveelheid cellen gelijktijdig en getrouw te meten. "GEVI's zijn gemodificeerde eiwitten die in staat zijn om veranderingen in membraanpotentiaal om te zetten in een optisch signaal, dat we vervolgens met behulp van microscopen kunnen detecteren", aldus Daan Brinks. "De techniek biedt ongekende mogelijkheden om te meten hoe veranderingspatronen in deze membraanspanning, actiepotentialen genaamd, zich manifesteren in subcellulaire compartimenten, cellen en netwerken in de hersenen. Het is de enige manier waarop we tot een fundamenteel begrip kunnen komen van hersenfuncties zoals leren en geheugen, en van neurodegeneratieve ziekten.”

Om deze belofte te kunnen waarmaken hebben we spanningsbeeldvorming diep in de levende hersenen van wakkere organismen die bepaald gedrag vertonen nodig. Om dit te bereiken, zal het Brinks lab een GEVI ontwikkelen die geoptimaliseerd is voor drie-fotonbeeldvorming (3P-beeldvorming). Deze techniek maakt niet-invasieve functionele beeldvorming mogelijk, door cellen zichtbaar te maken die zich in de diepere weefsels van de hersenen bevinden. Brinks: "We gaan zowel een genetische optimalisatie van GEVI's doen, als een diepgaand onderzoek van hun fotodynamica onder hoog vermogen, wat noodzakelijk is voor 3P-beeldvorming.” De groep zal de nieuwe technologie toepassen in een onderzoek naar geheugenvorming in het muizencerebellum. 

Arjen Jakobi

Ons immuunsysteem vormt een formidabele barrière voor de vele microbiële ziekteverwekkers die we dagelijks tegenkomen. Een aantal van dit soort pathogenen zijn daarom geëvolueerd om deze barrière te vermijden, door onze cellen binnen te dringen en onderdak te zoeken in een structuur die het fagosoom wordt genoemd. Dit fagosoom is een compartiment in de cel, afgebakend van de celomgeving door een membraan dat fysiek voorkomt dat de ziekteverwekker wordt herkend en geëlimineerd.

Hoe gaan we om met dergelijke pathogenen die verstoppertje spelen? We weten dat onze cellen zogenaamde 'effectormoleculen' produceren die fagosomen herkennen en hun membranen doorbreken, zodat de ziekteverwekkers in onze cellen kunnen worden opgespoord en geëlimineerd. Hiervoor zijn grote 'eiwitpakketten' nodig die dynamisch van vorm veranderen en daardoor het membraan van het compartiment fysiek vervormen, zodat het scheurt. Begrip van hoe dit alles werkt zal inzichten opleveren over een essentieel en aloud onderdeel van ons immuunsysteem.

Arjen Jakobi zal elektronenmicroscopie gebruiken om dit proces te bestuderen door het zichtbaar te maken op nanoschaal. "Het dilemma is dat we op dit moment ofwel zeer gedetailleerde foto's kunnen maken van eiwitmoleculen in een kunstmatig vereenvoudigde omgeving, ofwel zeer wazige foto's kunnen maken van deze moleculen in de complexe omgeving van de cel", aldus Jakobi. "Voor een grondig begrip hebben we zowel het detail als de complexiteit nodig." Jakobi zal deze twee werelden samenbrengen door nieuwe elektronenmicroscopie-instrumenten te ontwikkelen die hem in staat stellen om scherpe beelden te verkrijgen van deze dynamische processen in de volledige complexiteit van hun natuurlijke celomgeving. Zijn inzichten kunnen helpen bij het ontwerpen van nieuwe strategieën die onze cel beter in staat stellen om intracellulaire pathogenen te bestrijden. De nieuwe microscopie-instrumenten zullen hem en andere onderzoekers ook helpen bij het verkrijgen van moleculaire beelden van veel andere fundamentele cellulaire processen die een centrale rol spelen bij gezondheid en ziekte.

David Vermaas

In zijn ERC-project zal David Vermaas nieuwe concepten introduceren om een doorbraak te bewerkstelligen in de operationele snelheid van elektrochemische conversies, zoals elektrolyse en waterontzilting. "Zo’n doorbraak is noodzakelijk om aan de groeiende vraag naar groene energiedragers en schoon water te voldoen", aldus Vermaas.

Elektrochemische methoden kunnen, in een eenstapsproces, gebruikmaken van de toenemende toevoer van zonne- en windenergie om brandstoffen en schoon water te synthetiseren. Maar ondanks recente ontwikkelingen in elektrokatalysatoren en systeemontwerp is geen van de elektrochemische methoden uitgegroeid tot een marktleidende technologie in de energie- of watersector. Dat is te wijten aan een lage mate van procesintensivering. "Een hogere elektrische stroomdichtheid zonder dat dit ten koste gaat van de energie-efficiëntie is nodig, en dat kan alleen worden bereikt door het verbeteren van het massatransport.”

David Vermaas zal een multiscale-benadering gebruiken om de beperkingen van het massatransport aan te pakken. Het doel is om het massatransport te begrijpen en te verbeteren met behulp van nieuwe concepten. De Vermaas groep zal bijvoorbeeld de diffusiebeperkingen aanpakken door het bestuderen van zogeheten suspension electrodes. De benadering, met in-situ metingen van lokale stroming en concentraties, zal gericht zijn op fundamenteel begrip van en controle over massatransport in de elektrochemie.