Big Chemistry: de revolutie van Big Data in de chemie

Nederland behoort in de supramoleculaire en systeemchemie tot de wetenschappelijke wereldtop. Volgens professor Wilhelm Huck een uitstekende uitgangspositie voor een beslissende volgende stap: een volledig gerobotiseerd laboratorium voor analyse en synthese van complexe moleculaire systemen.

Tekst: Leendert van der Ent

De Nobelprijs voor de Natuurkunde 2021 ging naar onderzoek over het klimaat als complex systeem. Het gedrag van dergelijke systemen of 'mengsels' kan niet worden verklaard door hun individuele componenten te bestuderen. De verklaring ligt in het samenhangend geheel. “Het meest aansprekende voorbeeld is het leven zelf”, zegt Wilhelm Huck, hoogleraar fysisch-organische chemie aan de Radboud Universiteit Nijmegen. “DNA, eiwitten, lipiden, zouten en voedingsstoffen bestaan uit niet-levende moleculen. Maar samen vormen ze een cel, een complex systeem dat leeft.” 

Wilhelm Huck: "Het wordt tijd om de razendsnelle recente ontwikkelingen in de kunstmatige intelligentie en robotica te benutten." Foto: Ivar Pel

 

Huck heeft een voorstel aan het Nationale Groeifonds in voorbereiding. Dat richt zich in eerste instantie niet op die filosofische kant van de zaak, maar meer direct op de economische mogelijkheden. “De industrie heeft op allerlei vlakken te maken met zulke complexe moleculaire systemen, die zich moeilijk laten bestuderen, zoals voedingsmatrices, coatings en persoonlijke verzorgingsproducten.” De vraag is: waar komt een functie in een complexe structuur precies vandaan? Wat bepaalt smaak in een voedingsmiddel? “En vooral: hoe kun je daarnaar zoeken, als eerste stap naar het gericht sturen op gewenste functies in zo'n complex moleculair systeem?”

Wereldtop

“De aloude 'trial and error'-benadering in de chemie heeft producten vanuit complexe moleculaire systemen gebracht waar ze nu zijn”, betoogt Huck. “Maar afzonderlijke analyses op het niveau van één molecuul of één functie, gecombineerd met intuïtie, brengen dit veld nauwelijks nog verder.” We weten nu nog niet genoeg van de fundamentele eigenschappen en hoe je die systematisch zou moeten bestuderen om het antwoord te kunnen geven. Het wordt volgens Huck nu tijd om de razendsnelle recente ontwikkelingen in de kunstmatige intelligentie en robotica te benutten, zodat we de formulering wèl tot op wetenschap gebaseerde technologie kunnen verheffen. 

 

De winst voor bedrijven is dat Big Chemistry een veel snellere optimalisatie oplevert bij de formulering van bijvoorbeeld inkten, coatings, polymeren, gels, persoonlijke verzorgingsproducten en geneesmiddelen. 

 

Het ligt niet aan een lacune in de Nederlandse wetenschappelijke kennis. Integendeel, zegt Huck. “Nederland behoort in de supramoleculaire en systeemchemie tot de wereldtop. De Nobelprijs van Ben Feringa in 2016 getuigt daarvan. Dankzij de kracht van de wetenschappelijke groepen binnen dit gebied hebben we scherp op het netvlies wat er nodig is om doorbraken op dit gebied te bereiken.” 

'We' is in dit geval een consortium van de universiteiten van Eindhoven, Groningen en Nijmegen samen met AMOLF (een van de onderzoeksinstituten van NWO) en Fontys Hogeschool Eindhoven. “Bovendien werken we aan een samenwerking met drie Duitse Max Planck Instituten. En daarnaast hebben bedrijven uit de voedingsmiddelenindustrie, de kunststoffen en de coatings zich achter het initiatief geschaard.” 

Intelligent ontwerp

“We hebben nu te weinig experimenten, te weinig data, om verstrekkende conclusies over complexe systemen te kunnen trekken”, aldus Huck. “De stap naar Big Data in de chemie, oftewel Big Chemistry, zal dat veranderen. Dankzij gerobotiseerde screenings en analyses met behulp van effectieve onderzoeksalgoritmes en kunstmatige intelligentie kunnen we de  sprong naar ‘intelligent ontwerpen van complexe moleculaire systemen’ maken. Het gaat om het ontdekken van patronen op basis van grote aantallen analyses.”

Dergelijke faciliteiten bestaan nog nergens ter wereld. In de astronomie en biologische systemen (zoals genetica) werkt de wetenschap al wel met Big Data. Huck: “De resultaten in die vakgebieden maken duidelijk wat dit mogelijk maakt voor complexe synthetische systemen. We kunnen bijvoorbeeld nieuwe functies ontdekken die we nu niet kunnen realiseren. Nog belangrijker is dat sturen op veel eigenschappen tegelijk het mogelijk maakt om bestaande producten veel energiezuiniger te produceren  – en bovendien met aanzienlijk duurzamere en goedkopere grondstoffen.”

Europees kenniscentrum

Essentieel voor het idee is de realisatie van een volledig gerobotiseerd laboratorium voor high-throughput synthese en analyse. De analyseresultaten worden gekoppeld aan kunstmatige intelligentie (AI). AI kan de patronen blootleggen die bepalend zijn voor de eigenschappen van een systeem. Dat maakt op de korte termijn voorspellingen mogelijk om op betere eigenschappen voor mengsels te sturen – en daardoor betere complexe moleculaire netwerken te bouwen. “Op de lange termijn kan ook het ontrafelen hoe leven precies werkt en is ontstaan aan de orde komen. Big Chemistry betekent een revolutie in de chemie – en wij willen daarvoor het Europese kenniscentrum realiseren.”

 

“Sturen op veel eigenschappen tegelijk maakt het mogelijk om producten veel energiezuiniger te produceren en met duurzamere en goedkopere grondstoffen.”

 

Zo'n laboratorium zal, als de aanvraag wordt toegekend, eerst bedacht moeten worden. Huck: “Het zal ook niet in één keer op de Noviotech Campus in Nijmegen staan. Het is eerder een kwestie van in de loop van een aantal jaren gefaseerd realiseren. De realisatie vereist intensieve samenwerking tussen chemici, fysici en ingenieurs. Bedrijven in de Brainport-regio – en daarbuiten – zullen helpen de robotisering vormgeven. Daarnaast is er een flinke inbreng van high tech op het gebied van software nodig. En tot slot willen we kleine, gespecialiseerde bedrijven op het gebied van kunstmatige intelligentie erbij betrekken.”

Stevige mix

Voor de uiteindelijke exploitatie van het robotlab denkt Huck bijvoorbeeld aan het valorisatiemodel dat het IMEC (onderzoekscentrum voor nano-elektronica en digitale technologie) hanteert: een stevige mix van wetenschappers met een grote betrokkenheid van bedrijven bij de ontwikkeling van toepassingen. De winst voor die bedrijven is dat Big Chemistry een veel snellere optimalisatie oplevert bij de formulering van bijvoorbeeld inkten, coatings, polymeren, gels, persoonlijke verzorgingsproducten en geneesmiddelen. Al met al moet er een ecosysteem ontstaan dat de hightech-industrie verbindt met excellent onderzoek en dat ruimte biedt voor het opleiden van talent. “Als dat lukt, kunnen we de formulering van complexe moleculaire systemen voor industriële toepassingen aanjagen en daarmee een belangrijke economische groeimotor starten.”