Chemie op de digitale golf...Zullen we even onze cellen herprogrammeren?

Chemie op de digitale golf...Zullen we even onze cellen herprogrammeren?

Welkom in de digitale wereld! Langs alle kanten worden we omringd door computers. 

In de vorm van smartphones en tablets dragen we ze zelfs op zak. Het digitale brein beschikt over steeds grotere rekenvermogens en een fenomenaal geheugen. De gegevens worden opgeslagen en uitgewisseld in de 'cloud'. Informatica en digitalisering zijn gewoon niet meer weg te denken uit ons dagelijkse leven.  Geen enkel domein ontsnapt aan deze digitale golf. Ook de life sciences en de chemie niet!

Natuurlijk kan de computer (nog) niet alles oplossen in de wereld van de chemie. Maar of het nu gaat om de ontwikkeling van nieuwe materialen, de geneesmiddelen van de toekomst of synthetische biologie, gigabytes zijn er overal. Zelfs daar waar je ze niet zou verwachten! Bijvoorbeeld in onze cellen!

Er bestaan tegenwoordig experimentele hybride systemen die levende cellen kunnen controleren met algoritmen (computerprogramma's). Die systemen combineren microscopen en computers.

 

We spreken van de synthetische biologie. De cellen worden ge(her)programmeerd om beter te renderen bij welbepaalde taken of heel efficiënt een nieuwe taak te verrichten. Van gistcellen bijvoorbeeld kan het fluorescentieniveau worden gewijzigd. In Frankrijk maken de onderzoekers voor deze biologische controles gebruik van lichtimpulsen. De computer observeert de fluorescentie van elke cel en beslist in realtime hoe de celomgeving kan worden gewijzigd om de expressie van een gen dat codeert voor een fluorescent eiwit, te induceren of onderdrukken. En dat werkt!

 

 

Een van de grote uitdagingen van deze discipline is het omzeilen van de beperkingen van de bestaande biologische systemen. Het is bijvoorbeeld moeilijk om van verschillende cellen dezelfde genexpressie te verkrijgen, zelfs als ze samen zijn gekweekt in eenzelfde milieu. Dankzij deze toptechnologieën krijgen de onderzoekers heel homogeen de controle over de cellen en over wat ze kunnen doen of produceren.

Wil je meer weten? Dan klik hier.

Maar hoe gaan ze tewerk om deze cellen te herprogrammeren?

Eerst en vooral leggen ze ze in een microfluïsch apparaat,  minuscule netwerken waarin de cellen in een vloeistof baden. Zo kan de chemische of lichtomgeving on demand worden gewijzigd.

Op basis van het courante gedrag van de cel en het gestelde doel beslist het computerprogramma welke wijzigingen er moeten worden aangebracht in de chemische of lichtomgeving van de cel. De fameuze fluorescentie waarover we het zonet hadden.


De computer beheert ook de beeldopnames door de microscoop en de analyse van deze beelden om in realtime te weten hoe de cellen reageren (in het jargon spreken we van 'celrespons'). En uiteindelijk produceren de cellen de beoogde effecten. Sciencefiction ? Nee, in Frankrijk zijn verschillende onderzoeksteams al bezig met de ontwikkeling van deze systemen.

In de digitale chemie is het niet anders!

Deze tak van de chemie gebruikt de wetten van de theoretische chemie in computerprogramma's om de structuur van een toekomstige verbinding of de kenmerken van nieuwe atoombindingen te berekenen. En van moleculen, vaste stoffen, atoomclusters.

Via deze modelleringen, deze computersimulaties kennen we de kenmerken van nieuwe materialen zelfs al voordat we er stalen van beginnen te produceren. In België is een team zelfs kampioen in berekeningen in dit domein, namelijk de onderzoeksgroep van prof. Hautier van de Université Catholique de Louvain.
Voor de ontwikkeling van nieuwe materialen gebruiken de onderzoekers krachtige computers die automatisch de eigenschappen van duizenden materialen berekenen om vervolgens de interessantste te combineren en geavanceerde materialen te ontwikkelen. De techniek wordt gebruikt om betere 'energieopslagsystemen' te ontwikkelen (zoals Li-ionbatterijen) of krachtiger opto-elektronische materialen (zoals transparante geleidende oxiden).

En het werkt ook voor de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen

Voordat ze een nieuwe therapeutische molecule ontwikkelen, trachten de onderzoekers digitaal na te gaan hoe het zal werken en reageren in het organisme. Met computersimulaties kunnen eventuele bijwerkingen worden opgespoord. Zo wordt er heel wat tijd bespaard bij de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen. Het heeft immers geen enkele zin om een stof die interessant lijkt voor de behandeling van een bepaalde ziekte te blijven onderzoeken als ze giftig blijkt te zijn voor de rest van het lichaam!

Welkom in de wereld van de chemie 4.0

Uit deze enkele voorbeelden uit de onderzoekslaboratoria blijkt duidelijk in hoeverre de digitalisering van de chemie en de life sciences onmisbaar is geworden.

Uiteraard worden ook voor tal van andere aspecten van deze industrie computerprogramma's en in de cloud opgeslagen gegevens gebruikt.

Informatica is aanwezig in alle basisfuncties van de chemische fabrieken, in alle vakgebieden van deze sector. Denk maar aan de logistiek, de productie, het onderhoud, de marketing of de verkoopdiensten. Niemand kan nog zonder computer. Of kunt u zich nog een robot of machine voorstellen die niet minstens wordt gecontroleerd door een computerprogramma of een vorm van artificiële intelligentie?

Zelfs de gebruikers surfen mee op de digitale golf die alomtegenwoordig is. Kijk maar naar de e-gezondheid.

E-gezondheid? 'Elektronische gezondheid'!

Telediagnose, teleconsultatie, gepersonaliseerde geneeskunde via mobiele apps en sociale netwerken, ziekenhuisinformatiesystemen, elektronische diensten voor patiënten en artsen ... Niets van dat alles zou mogelijk zijn zonder de digitale instrumenten waarover we vandaag beschikken.  Smartphones en tablets.
De instrumenten van de digitale revolutie die zich afspeelt in de chemie en de life sciences hebben we tegenwoordig gewoon op zak. Maar dat zeiden we al in het begin van het artikel!

Reageer

Fijn dat je van je laat horen!