WAAR WIJ TROTS OP ZIJN

WAAR WIJ TROTS OP ZIJN
De OntDekkingen van 2008
Faculteit der Wiskunde & Natuurwetenschappen

2
INHOUD
Een faculteit om te ontdekken 4
Bijzondere onderscheidingen en prijzen 5
Subsidies 6
Robbert de Haan Sleutels en versleutelen: Rekenen tegen de vijand 8
Timon Idema & Stefan Semrau Van meten, modellen en membranen 12
Ofer Shir Soortenrijkdom in computerprogramma’s 16
Remco van der Burg, Francis Vuijsje,
Meta de Hoon & Ignas Snellen De jacht op remefra 20
Michael Stech Mossenraadsel opgelost 24
Martijn Verdoes Chemie vol koppelingen 28
Freek Vonk In de ban van slangengif 32
Kai Ye ‘Taal des levens’ sneller ontcijferd 36
English summaries 40
Suggesties voor onder de kerstboom 42

Robbert de Haan
Mathematisch Instituut
Ofer Shir
Leiden Institute of
Advanced Computer Science
Michael Stech
Nationaal Herbarium Nederland
Freek Vonk
Instituut Biologie Leiden
Timon Idema
Stefan Semrau
Leids Instituut voor
Onderzoek in de Natuurkunde
Remco van der Burg
Francis Vuijsje
Meta de Hoon
Ignas Snellen
Sterrewacht Leiden
EEN FACULTEIT OM TE ONTDEKKEN
Martijn Verdoes
Leids Instituut voor
Chemisch Onderzoek
Kai Ye
Leiden/Amsterdam
Center for Drug Reserach
3

4
De Faculteit der Wiskunde en Natuurwetenschappen van de
Universiteit Leiden wil excelleren in het onderzoek en onderwijs van
onze disciplines: wiskunde, informatica, natuur- en sterrenkunde,
scheikunde, biologie en bio-farmaceutische wetenschappen.
Multidisciplinaire samenwerking streven wij na op het gebied van
Bio-Science onder het motto Life meets Science, het overkoepelende
thema van onze faculteit. Op dit gebied werken we nauw samen met
het LUMC en de TU Delft.
Multidisciplinaire samenwerking vindt ook plaats in de regio met
de bedrijven in het Bio-Science park en met Naturalis; in nationaal
verband zoals in het Lorentz Center, NOVA, LOFAR, NHN,
DIAMANT, NDNS, Cyttron, het Top Instituut Pharma, de Smart-
Mix projecten: Nano Imaging en Biomedical Research Tools en de
NGI initiatieven: het Netherlands Metabolomic Centre (NCM) en
het Netherlands Toxicogenomics Centre (NTC); en internationaal
in meerdere EU-projecten. Met een excellente onderzoeksomgeving,
in een faculteitsbrede Graduate School of Science, trachten we
top talent uit binnen- en buitenland naar Leiden te trekken.
Onze criteria bij de keuze van wetenschappelijk onderzoek zijn:
wetenschappelijke ‘impact’, technologische innovatie en maatschappelijke
relevantie.
EEN FACULTEIT OM TE
ONTDEKKEN
Intensieve samenwerking met het middelbaar onderwijs in de regio
moet de studenteninstroom op bachelor-niveau verder doen
groeien. Een ambitieus internationaliseringsplan moet meer
master- en PhD-studenten naar Leiden trekken. Studeren in een
onderzoeksomgeving moet leiden tot het vergroten van ons
rendement, en de academische vorming zal onze afstudeerders
helpen bij hun verdere carrière.
Uitvoering van het ‘tenure-track’ beleid is de eerste prioriteit in ons
personeelsbeleid. De aanstaande unilocatie voor onze biologen is
essentieel voor het realiseren van onze ambities in Bio-Science.
We blijven streven naar excellente technische, onderwijskundige en
bestuurlijke faciliteiten. Professionele bedrijfsvoering moet ervoor
zorgen dat we ook financieel gezond blijven.
Bovenstaande is een korte samenvatting van de strategie van onze
faculteit die het beleid in de komende jaren zal bepalen.
We zijn trots op Jan Kijne die tijdens zijn periode als vice-decaan
van onze faculteit een enorme bijdrage heeft geleverd aan de succes -
sen die het mogelijk maken om de strategie van onze faculteit zo
krachtig te formuleren. We zijn ook trots op de lange lijst met onderscheidingen
en prijzen die in 2008 invulling aan onze strategie gaven.

BIJZONDERE ONDERSCHEIDINGEN
EN PRIJZEN
• Joost Frenken (LION) werd benoemd tot lid van de KNAW.
• Wim van Saarloos (LION) sprak tijdens het voorjaarscongres
van de Nederlandse Natuurkundige Vereniging (Fysica 2008)
de Physicalezing uit.
• Ewine van Dishoeck (Sterrewacht) werd benoemd tot erelid
van de American Acadamy of Arts and Sciences.
• Het Nationaal Conserverings-programma Metamorfoze heeft
100.000 euro toegezegd voor het archief van de Sterrewacht.
• Eugenio Daviso (LIC) won de Magnetic Resonance in Chemistry
Award for Young Scientists.
• Mariska Kriek (Sterrewacht) ontving de Christiaan Huygens
Wetenschapsprijs.
• Jan Reedijk (LIC) werd Ridder in de Orde van de Nederlandse
Leeuw.
• Wim van Saarloos (LION) werd Ridder in de Orde van de
Nederlandse Leeuw.
• Robert Tijdeman (MI) werd Ridder in de Orde van de
Nederlandse Leeuw.
• Mart Durieux (LION) werd Ridder in de orde van Oranje-Nassau.
• Eric Eliel (LION) werd officier in de orde van Oranje-Nassau.
• Douwe Breimer (LACDR) heeft de Ubbo Emmiuspenning voor
Wetenschappelijke Verdiensten van de Rijksuniversiteit Groningen
ontvangen.
• De ‘Wiskundemeisjes’ Jeanine Daems en Ionica Smeets ontvingen
de Mr. C.J. Cathprijs.
• De Nederlandse natuurkunde olympiade PION is gewonnen door
het team Feynman’s Entangled B*tches, bestaande uit Michiel
Kosters, Marcel van Daalen, Ariyan Javanpeykar en Rogier van
der Geer (allen lid van De Leidsche Flesch).
• De Benelux Algorithm Programming Contest 2008 (BAPC 2008)
werd, evenals in 2007, gewonnen door het team Prime Suspects,
bestaande uit de wiskunde- en informaticastudenten Thomas
Beuman, Misha Stassen en Johan de Ruiter.
• De sterrenkundige Ivo Labbé ontving op 26 september de eerste
Van Marum Prijs van de Koninklijke Hollandsche Maatschappij
der Wetenschappen.
• Het Pre-University College vernoemde zijn onderzoeksprijs naar
Jan Kijne, onze plaatsvervangend decaan die in mei 2008 afscheid
nam als faculteitsbestuurder.
• Sascha Hoogendoorn, cum laude afgestudeerd bij het LIC,
ontving de Unilever Research prijs.
• Tjerk Oosterkamp (LION) werd benoemd tot lid van de
Jonge Akademie.
• Evolutiebiologe Barbara Vreede ontving de prijs van het LUF
internationaal studiefonds.
5

6
Benoemingen
• Michael Garrett werd benoemd tot hoogleraar ‘Radiotechnieken
in de sterrenkunde’ bij de Sterrewacht.
• Frank de Boer werd benoemd tot hoogleraar ‘Software correctheid’
bij het LIACS.
• Dirk van Delft werd benoemd tot bijzonder hoogleraar ‘Materieel
erfgoed van de natuurwetenschappen’ bij de Sterrewacht.
• Bert van Duijn werd benoemd tot deeltijds hoogleraar in de
‘Planten-elektrofysiologie’ bij het IBL.
• Martin van Hecke werd benoemd tot hoogleraar ‘Organisatie
van de wanordelijke materie’ bij het LION.
• Herman van Vlijmen werd benoemd tot deeltijds hoogleraar
‘Computational drug discovery’ bij het LACDR.
• Jeroen den Hertog werd benoemd tot deeltijds hoogleraar
‘Moleculaire ontwikkelingszoölogie’ bij het IBL.
• Harold Linnartz werd benoemd tot bijzonder hoogleraar
‘Moleculaire laboratorium astrofysica’ bij de Sterrewacht.
• Peter van Welzen werd benoemd tot bijzonder hoogleraar
‘Tropische plantenbiogeografie’ bij het NHN.
• Johan Kuiper werd benoemd tot hoogleraar ‘Therapeutic
immunomodulation’ bij het LACDR.
• Peter Grünwald werd benoemd tot deeltijds hoogleraar
‘Statistisch leren’ bij het MI en het LIACS.
• Vladas Sidoravicius werd benoemd tot deeltijds hoogleraar
‘Toegepaste kansrekening’ bij het MI.
• Xander Tielens werd benoemd tot hoogleraar ‘Physics and
chemistry of the interstellar medium’ bij de Sterrewacht.
• Hendrik-Jan Guchelaar werd mede benoemd tot hoogleraar
‘Klinische farmacie’ bij het LACDR.
• Meindert Danhof werd mede benoemd tot hoogleraar
‘Farmacologie’ bij het LUMC.
• Barry Koren werd benoemd tot deeltijds hoogleraar
‘Numerieke wiskunde’ bij het MI.
• Peter Punt werd benoemd tot bijzonder hoogleraar ‘Industriële
biotechnologie’ bij het IBL.
• Jan Aarts werd benoemd tot opleidingsdirecteur Natuurkunde.
• Gijsbert Korevaar werd benoemd tot opleidingsdirecteur
Industrial Ecology.
• Edgar Groenen werd benoemd tot plv. decaan/portefeuillehouder
onderwijs.
• Peter Klinkhamer werd benoemd tot opleidingsdirecteur Biologie.
• Lieteke van Vucht Tijssen werd benoemd tot wetenschappelijk
directeur a.i. van het IBL.
• Wim Aspers is begonnen als de nieuwe instituutsmanager bij
het IBL.
• Mijke Zachariasse is begonnen als de nieuwe instituutsmanager bij
het LION.
• Eppo Bruins (LION) is benoemd tot directeur van Technologiestichting
STW.
• Thijs de Graauw, bijzonder hoogleraar sterrenkunde aan de
Leidse Sterrewacht werd benoemd tot interim-directeur van
de internationale Atacama Large Millimeter Array.
Subsidies
• Michel Orrit (LION), hoogleraar ‘Spectroscopie van moleculen
in de gecondenseerde materie’, ontving een Advanced Grant
van de European Research Council (ERC) voor het project
‘Single molecules in soft matter: dynamical heterogeneity in
supercooled liquids and glasses’.
• Marijn Franx (Sterrewacht), hoogleraar ‘Extragalactische
sterrenkunde’, verwierf een ERC Advanced Grant voor het
project ‘HIGHZ: Elucidating galaxy formation and evolution
from very deep Near-IR imaging’.
• Tom Wennekes (LIC) ontving een NWO Rubicon subsidie voor
het project ‘Slimme suikers tegen de griep’.
• Hermen Jan Hupkes (MI) ontving een NWO Rubicon subsidie
voor het project ‘Understanding waves and patterns in discrete
media’.
• Ornelia Ramos (LACDR) ontving een NWO Mozaïek subsidie
voor het project ‘Nieuw doelwit voor medicijnen tegen aderverkalking’.
• Jan van Ruitenbeek (LION), hoogleraar ‘Experimentele natuurkunde’,
ontving een NWO Groot subsidie van 2.325.000 euro
voor het project ‘Realtime nano-imaging microscoop’.
• Hermen Overkleeft (LIC), hoogleraar ‘Bio-organische synthese’
en Gijs van der Marel (LIC), hoogleraar ‘Synthetische organische
chemie’ ontvingen een NWO TOP-subsidie voor het project
‘Synthetische verbindingen om glucosylceramide metabolisme
te beïnvloeden: fundamentele studies en toepassingen’.

• Gilles van Wezel (LIC) ontving een NWO ECHO subsidie voor het
project ‘Celdeling in zicht: een geïntegreerde benadering voor de
analyse van de septum localisatie in Streptomyces bacteriën’.
• Marcellus Ubbink (LIC) ontving een NWO ECHO subsidie voor
het project ‘Hoe eiwitmoleculen elkaar vinden’.
• Ludo Juurlink (LIC) was een van de winnaars van een NWO
ECHO subsidie voor het project ‘Een alternatief mechanisme
om methaan om te zetten’.
veni
• Fedor Goumans (LIC) ontving van NWO een VENI subsidie
voor het project ‘Moleculen in de ruimte’.
• Andrea Hawe (LACDR) ontving van NWO een VENI subsidie
voor het project ‘Ophelderen van eiwitsamenklontering’.
• Peter Keizers (LIC) ontving van NWO een VENI subsidie voor
het project ‘Het pad van medicijn afbraak’.
viDi
• Patricia Beldade (IBL) ontving van NWO een VIDI subsidie
voor het project ‘Hoe oude genen nieuwe functies leren’.
• Henk Hoekstra (Sterrewacht) ontving van NWO een VIDI
subsidie voor het project ‘Een donker heelal’.
Faculteit der Wiskunde & Natuurwetenschappen
Voorgedragen docenten voor de Facultaire Onderwijsprijs 2008:
Mark Overhand (LST), Paul van der Werf (Sterrenkunde), Lies
Bouwman (Scheikunde), Harald van Mil (Biologie), Hendrik Jan
Hoogeboom (Informatica), Ludo Juurlink (MST), Ronald van Luijk
(Wiskunde) en Nora Goosen (BFW).
Daar komen nog acht prijswinnaars bij, want wij hebben de
weten schappelijke directeuren van onze instituten gevraagd
om de ontdekkingen van 2008 aan te melden. Interviews met
de ontdekkers staan in dit boekje en op de website:
www.science.leidenuniv.nl/ontdekkervanhetjaar.
Op deze website kunt u uw stem uitbrengen op degene die volgens
u de Ontdekker van het Jaar 2008 is. Daarnaast is er een wetenschappelijke
jury die ook een Ontdekker van het Jaar kiest.
De publiekswinnaar en de juryprijswinnaar krijgen op 5 januari
2009, tijdens de nieuwjaarsreceptie in de hal van het Gorlaeus,
de C.J. Kokprijs uitgereikt. We wensen u veel leesplezier.
Het bestuur van de Faculteit der Wiskunde en Natuurwetenschappen,
Chantal Stoffelsma
Gert Jan van Helden
Edgar Groenen
Sjoerd Verduyn Lunel
7

8
“Jammer dat je geen puur wetenschappelijke studie gaat doen, zoals natuurkunde of wiskunde”, zei de leraar natuurkunde van Robbert
de Haan (28) toen die het voornemen uitsprak om informatica te gaan studeren. Ook goed, dacht de leerling, dan doe ik wiskunde erbij.
Dat bleek te kunnen: aan de Uva haalde hij in beide disciplines zijn master. Daarna werd het wiskunde: een promotieplaats op het Centrum
voor Wiskunde en informatica in amsterdam, omdat daar net een groep werd opgezet die zich richtte op een onderwerp dat hem
interesseert: de cryptografie. Begin 2009 zal hij zijn proefschrift in Leiden verdedigen.

ROBBERT DE HAAN MatHeMatiSCH inStitUUt (Mi)
SLEUTELS EN VERSLEUTELEN:
REKENEN TEGEN DE VIJAND
Op de tafel in het vensterloze vergaderzaaltje ligt een handvol
viltstiften. allerlei kleuren, kriskras door elkaar. Welke stift zal het
nog doen? De ‘sleutel’ voor de oplossing van dit vraagstuk is in het
zaaltje aanwezig. “iedereen gebruikt oranje,” zegt Robbert de Haan
met een blik op het bord aan de muur, “dus de oranje stift zal het
wel doen.” een uurtje later staat het bord vol met schetsen en vak-
termen in die kleur. Ze gaan over het vervoeren van boodschappen
langs wegen die misschien niet veilig zijn. en over het nemen van
beslissingen als je misschien in slecht gezelschap bent.
in beide situaties is de wiskunde je vriend en beschermer.
Je moet alleen weten hoe.
Al tientallen jaren worden er in de wiskunde bergen verzet om te
zorgen dat berichtenverkeer niet door onbevoegden kan worden
onderschept en daarna gelezen en misschien wel veranderd. Dat was
ooit belangrijk voor generaals en bankiers, maar tegenwoordig weten
ook niet zo wiskundig geschoolden dat je bij telebankieren of bij het
op internet bestellen van een nieuwe stofzuiger maar beter ‘https://’
in het adres kunt hebben staan.
De crypto-techniek die daarachter zit, versleutelt de gegevens tot een
onbegrijpelijke letterbrij. Alleen wie de juiste sleutel kent, kan de
tekst weer begrijpelijk maken. Voorlopig althans. Dat komt doordat
het versleutelen en ontsleutelen gebeurt met berekeningen die in één
richting gemakkelijk zijn en in een andere richting ‘vooralsnog
moeilijk’. Iedereen moet na het voltooien van de basisschool kunnen
uitrekenen dat 11 * 36 * 83 gelijk is aan 32868. Uitzoeken van welke
drie factoren 32868 het product is, is veel lastiger. Een soortgelijke
vorm van ‘eenrichtingswiskunde’ werkt met machtsverheffen en
worteltrekken.
Digitale gluurders
Sterke cryptografie leidt het versleutelen langs de gemakkelijke kant
van dat soort berekeningen en dwingt de digitale gluurder juist in de
moeilijke hoek. Door bij het versleutelen sommen met flink lange
getallen te gebruiken, heeft die gluurder zelfs met enorme computers
nog zeeën van tijd, of enorm veel geluk nodig om de puzzel te
kraken. Reden genoeg om het op te geven.
Tenzij... de vooruitgang de cryptografie inhaalt. Computers worden
steeds sneller, dus ooit is de boodschap misschien wel gemakkelijk te
ontcijferen. Of op een goede (en dus kwade) dag ontdekt een
wiskundige hoe je gemakkelijk grote getallen factoriseert.
Misschien zal ooit de kwantumcomputer zijn opwachting maken,
die op een heel andere manier rekent en daardoor niet erg onder de
indruk zal zijn van lange getallen.
Er is echter ook een andere manier om versleutelde boodschappen te
9

10
ROBBERT DE HAAN
bezorgen, vertelde promotor Cramer zijn nieuwe promovendus.
Een die niet afhankelijk is van ons vertrouwen in voldoende trage
computers of voldoende moeilijke sommen. Deze methode,
waarmee vier onderzoekers in 1992 voor de dag kwamen, was in
2004 door andere onderzoekers in een artikel afgerond. De Haan
moest het maar eens bekijken.
“Maar terwijl ik daarmee bezig was, heb ik dat artikel ‘gebroken’.
Het was op dat moment al gepubliceerd, als bijdrage aan een
belangrijk congres; het bleek echter helemaal niet te kloppen.
Toen heb ik het zelf overgedaan, en dat heb ik een paar jaar na
hun artikel op hetzelfde congres gepresenteerd. Dat was niet
leuk voor ze.”
Perfect veilig
De ‘Perfect Veilige Berichtoverbrenging’, zoals de methode officieel
heet, berust op het tegelijk versturen van een boodschap via
verschillende wegen. Dat zouden meerdere telefoonlijnen kunnen
zijn, of het internet plus de telefoon plus de post. Bij gewone
cryptografie probeer je met versleuteling te voorkomen dat een
spion de boodschap onderschept en ontcijfert.
Bij deze ‘meerkanaals cryptografie’ ga je er vanuit dat de boodschap
wordt onderschept, maar niet via alle kanalen. Door nu de boodschap
op te splitsen in een groot aantal kleine fragmentjes en die
door elkaar gehusseld via de verschillende routes te versturen, kun je
de schade beperken. Sterker nog, door dat husselen op een wiskundig
slimme manier te doen, kan de afluisteraar zelfs geen stukje van
de boodschap lezen via de kanalen die hij in zijn macht heeft, maar
kan de ontvanger desondanks de hele boodschap ontcijferen, ook al
is een aantal kanalen compleet geblokkeerd.
“Het werkt als de tegenstander minder dan een derde van de kanalen
in handen heeft”, vertelt De Haan. “En als je toelaat dat de ontvanger
van de boodschap ook weer berichten terugstuurt, dan mag de
vijand er nog meer hebben, als het maar niet de helft is.”
Wat hij uiteindelijk bijdroeg aan deze vorm van communicatie is een
definitieve uitspraak over de efficiëntie waarmee deze methode door
computers kan worden uitgevoerd. Al is de wiskunde nog zo elegant,
een cryptografisch systeem waar je vele megabytes voor moet
overpompen om een korte tekst veilig te vervoeren, is niet echt
praktisch.
De Haan toonde aan dat het aantal bits dat je moet zenden om een
bepaalde tekst bij de ontvanger te krijgen, evenredig toeneemt met
het aantal communicatiekanalen dat je gebruikt. In wiskundige ogen
wil dat zeggen dat de kosten in de vorm van rekenwerk draaglijk
blijven. Eerlijk geeft hij toe: “Dat resultaat was voor grote boodschappen.
Het was niet duidelijk of het altijd gold. Daardoor zou
het protocol dat je gebruikt minder efficiënt kunnen zijn bij het
versturen van erg korte boodschappen.”
“Maar iemand anders heeft na het lezen van mijn artikel gezien dat
je met een aanpassing van een specifiek deel van mijn methode ook
kunt garanderen dat het lineair gaat met kleinere boodschappen.
Dat is heel welkom, want daarmee is de methode in meer situaties
bruikbaar – al is het natuurlijk een beetje jammer dat ik dat zelf niet
had gezien.”
Bas den Hond

Rekenen met valsspelen
Behalve over het overbrengen van berichten waarbij
misschien ‘de vijand’ meeluistert, gaat het proefschrift
van De Haan ook over het maken van een berekening
door een groep computers waarvan ‘de vijand’ er
misschien een paar in handen heeft.
Een situatie waarin je zo’n ‘groepsberekening’ zou willen
maken is stemmen. In de praktijk gaat dat altijd via een
stembureau, maar als er om wat voor reden ook geen
stembureau is dat iedereen vertrouwt, kun je het ook
zonder proberen: iedere kiezer heeft een computer, en die
levert aan iedere andere kiezerscomputer een gegeven, de
stem; samen berekenen ze de uitslag.
Moet je in die omstandigheden alle computers kunnen
vertrouwen, of kan het met minder toe? Ja, bewezen
onderzoekers op het vakgebied van het ‘Perfect Veilige
Groepsrekenen’. Door de computers via een speciaal
protocol informatie te laten uitwisselen en dingen voor
elkaar te laten uitrekenen, kun je ‘valsspelers’ buitenspel
zetten en een juiste uitslag garanderen.
De getallen die ze vonden doen denken aan die uit de
cryptografie: het kan veilig als de vijand minder dan een
derde van de computers in handen heeft. Onder bepaalde
voorwaarden kan het zelfs in nog minder gunstige
omstandigheden goed gaan zo lang hij maar minder dan
de helft heeft.
Ook hier leverde De Haan een bijdrage aan de efficiëntie
van de gebruikte protocollen, zodat de benodigde
communicatie tussen al die computers niet teveel stijgt
naarmate ze talrijker zijn. Hij zegt: “Daaraan vind ik
vooral leuk, dat ik er een paar gebieden uit de wiskunde
voor gebruikte waarvan niemand tot nu toe dacht dat ze
er iets mee te maken konden hebben. Dat het de methode
praktischer maakt, is mooi meegenomen, maar dat staat
voor een wiskundige niet op de eerste plaats.”
ABC DEF GHJ KLM NPQ RST
BCA
LMK
BCA
ABC
KLM
EFD
ZENDER
HJG
GHJ
RST
Boodschap
versleutelen
ABC DEF GHJ KLM NPQ RST
ONTVANGER
‘Perfect Veilige Berichtoverbrenging’ berust op het versturen
van een boodschap via verschillende wegen tegelijk. Door de
boodschap op te splitsen in een groot aantal kleine fragmentjes
en die door elkaar gehusseld via de verschillende routes te
versturen, kun je de schade van onderschepping beperken.
LMK
Versleutelde onderdelen
van de boodschap via
meer kanalen versturen
Onderdelen
decoderen
In de juiste
volgorde plaatsen
PQN
NPQ
DEF
STR
HJG
PQN
STR
EFD
11

12
timon idema studeerde in 2004 in Leiden cum laude af in de natuurkunde en in 2005 – eveneens cum laude – in de wiskunde. Sinds 2005
is hij aio in de theoretische Biofysica bij het instituut-Lorentz. Stefan Semrau studeerde fysica in aken, en is sinds 2005 aio bij de afdeling
Fysica van Levensprocessen. Beiden hopen in 2009 te promoveren.

Dat ze de kiem van het leven bestuderen is wat ver gezocht.
vaststaat dat natuurkundigen timon idema en Stefan Semrau,
onderzoekers bij LiOn, bijdragen aan de kennis over het ontstaan
van cellen. in een unieke samenwerking tussen de theoreticus en
de experimentator werd duidelijk hoe primitieve cellen zich
natuurlijk kunnen organiseren: in de vorm van een pinda.
“Als je ons in een kroeg zou afluisteren dan hoor je heus wel over
andere zaken dan alleen integralen en elektronenmicroscopie”,
vertelt Timon Idema met een brede grijns. “Jawel, we hebben het
ook wel over bier of voetbal”, vult Stefan Semrau aan. “Hoewel,”
volgt aarzelend in koor, “eigenlijk alleen als het om Nederland
– Duitsland gaat.” Semrau en Idema zijn onderzoekers in opleiding
namens de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie
(FOM). Ze werken in Leiden: Idema bij Theoretische Biofysica en
de Duitser Semrau bij Fysica van Levensprocessen.
De samenwerking tussen de twee natuurkundigen begon een paar
jaar geleden toen Semrau uit het Duitse Aken kwam om speciaal in
Nederland zijn promotieonderzoek te kunnen doen. Wie de fysica
van levensprocessen wil bestuderen heeft de laboratoria niet voor
het uitkiezen. Idema studeerde in Leiden zowel wiskunde als
natuurkunde en vond hier zijn plaats. Een kleine drie jaar geleden
begonnen ze beiden aan hun promotieonderzoek, om dat – als
alles meezit – eind 2009 af te ronden.
TIMON IDEMA & STEFAN SEMRAU (LiOn)
VAN METEN, MODELLEN EN MEMBRANEN
De twee natuurkundigen onderzoeken de eigenschappen van
membranen en het ontstaan van zogenaamde lipide vlotten. Ieder
vanuit zijn eigen achtergrond: de één geschoold als theoreticus, de
ander vaardig in de experimentele aanpak. “Een lipide vlot is een
gebied in een membraan dat een belangrijke rol speelt in biologische
processen”, legt Idema uit. “Processen zoals het immuunsysteem en
de manier waarop virussen een cel binnendringen.” Lipide (‘vette’)
vlotten, in het vakgebied beter bekend onder het Engelse raft,
kunnen in samenstelling afwijken van hun omgeving.
“Door het aanbrengen van structuur in het membraan kunnen de
vlotten eiwitten vervoeren en aansturen”, vertelt Semrau, om toe te
voegen: “Maar het is niemand nog gelukt om het bestaan van zulke
vlotten in levende cellen direct aan te tonen.”
Het duo deed een poging om aan te tonen dat vlotten in theorie
zouden kunnen bestaan. Daarvoor gebruikten ze kunstmatige membranen
die in opbouw lijken op eenvoudige levende cellen. Semrau
kan kunstmatig membranen nabouwen. “Die zijn wel vele malen
simpeler dan echte cellen. Er zitten bijvoorbeeld geen eiwitten in.”
Pindavorming
De cel van Semrau en Idema bestaat uit een gesloten membraan
van een dubbele laag vetmoleculen met een polaire en een bipolaire
kant; een waterminnende en een waterafstotende kant.
13

14
TIMON IDEMA & STEFAN SEMRAU
Voeg je twee soorten vetten toe aan het medium waarin de cellen
kunnen ontstaan, dan vormen ze na verloop van tijd automatisch
een pindavormige cel met in iedere bol een type membraan.
Wis- en natuurkundige Idema beschreef de vorm van hun membraan
met een model. Hiermee konden beide onderzoekers voor het eerst
de membraaneigenschappen die ze wilden testen, op een betrouwbare
manier voorspellen. Semrau: “Onze kunstmatige membranen
bleken membraanblaasjes te vormen, in een pindavormige balstructuur
die ongeveer even groot waren als een typische cel.”
In een dergelijk blaasje bleken de gezochte vlotten voor te komen en
ook stabiel te zijn, ontdekten de onderzoekers onder de microscoop.
Dat was nieuws. Uit vergelijkingen van de resultaten met bestaande
modellen voor levende cellen bleek dat de vlotten maar tien
nanometer groot kunnen worden. Opnieuw nieuws. Per stuk
kunnen ze dan slechts een paar eiwitten vervoeren. Idema: “De
vlotten zouden dus best kunnen bestaan in levende systemen
- we moeten alleen op veel kleinere schaal kijken om ze te zien.”
De onderzoekers publiceerden hun resultaten eind februari van
dit jaar in Physical Review Letters.
De pindavorm ontstond in het celmodel van Idema en Semrau
door de wisselwerking van de stijfheid van het membraan en de
lijnspanning tussen het vlotdomein en zijn omgeving. De stijfheid
van het membraan wordt onder meer bepaald door de temperatuur
van het medium waarin de cel zich bevindt, en door de samenstelling
van het membraan. De lijnspanning is de kracht die ontstaat als
verschillende componenten van een membraan niet goed willen
mengen.
Door nauwkeurige metingen te doen aan de fluctuaties van het
pindavormige membraan was Semrau in staat de stijfheid van de
twee componenten te bepalen. Deze fluctuaties zijn maar zo’n
honderd tot tweehonderd nanometer groot, terwijl de doorsnee van
het hele membraan zo’n tien micrometer is. Om zulke precieze
metingen te kunnen doen, gebruikte hij fluorescentie, laserlicht en
een zeer gevoelige digitale camera. Idema beschreef met zijn
wiskundig model de vorm van het oppervlak van de kunstmatige cel
en bevestigde de metingen nagenoeg precies. Zijn formule bestaat
uit een reeks differentiaalvergelijken met één onbekende die vele
malen terugkeert.
geslaagde validatie
De samenwerking in de dagelijkse praktijk betekende vele malen
heen en weer lopen of bellen tussen de tweede en elfde verdieping
van het natuurkundegebouw. Om de experimentele opstelling met
het kunstmatige membraan van Semrau aan te passen aan meetinformatie
uit het model van Idema. En andersom, want het
model werd verbeterd met de waarnemingen uit de opstelling.
Wat je noemt een zeer geslaagde validatie.
Op de vraag wat er eerder was – het model of de meting – volgt een
lichte aarzeling. Maar er wordt dan toch eensgezind gekozen voor de
meting. “We zagen eerst de pinda – twee versmolten bollen met aan
weerskanten een knik – en dat werd de input voor een basismodel
dat al een zeer primitieve vorm van een gesloten membraan
beschreef.”
Idema en Semrau vinden het aardig om bezig te zijn met een
zelforganiserend systeem. Een wetenschappelijke vriendschap die
ertoe leidde om ook in de late uren in de kroeg nog eens door te
praten. Semrau: “Het is puur wis- en natuurkunde maar er is zo
duidelijk een link met het leven, en daarover kun je altijd praten.”
Het team realiseert zich wel de beperkingen van hun bevindingen.
“Levende organismen zijn zo complex, de komende vijftig jaar zal
het niet lukken om een levende cel na te maken of zelfs maar te
modelleren,” denkt Timon Idema. Stefan Semrau knikt instemmend.
Marco van Kerkhoven

De kunstmatige membranen van Semrau bleken membraanblaasjes te vormen in een pindavormige balstructuur die ongeveer even
groot waren als een typische cel. Met Idema’s ‘pindamodel’ konden beide onderzoekers voor het eerst de membraaneigenschappen
die ze wilden testen op een betrouwbare manier voorspellen. Bijschrift van de illustratie uit de betreffende publicatie: Fluorescence
raw data (red: Lo domain, green: Ld domain) with superimposed contour (light blue). Insets: principle of contour fitting; a: intensity
profile normal to the vesicle contour (taken along the dashed line in the main image); b: first derivative of the profile with linear fit around
the vesicle edge (white line). The red point marks the vesicle edge. (Bron: Semrau S, Idema T, Holtzer L, Schmidt T & Storm C, Accurate determination
of elastic parameters for multi-component membranes. PhysRevLett.100.088101)
15

16
De in Jeruzalem geboren Ofer Shir haalde een B.Sc. in de informatica en de natuurkunde aan de Hebrew University of Jeruzalem.
in Leiden haalde hij in 2004 zijn master diploma Computer Sciences. vervolgens promoveerde hij in 2008 bij het LiaCS op het gebied van
evolutionair programmeren (natural Computing group, thomas Bäck). inmiddels past hij aan de Universiteit van Princeton als postdoctoral
fellow zijn expertise in evolutionair programmeren toe in de fysische chemie.

OFER SHIR LeiDen inStitUte OF aDvanCeD COMPUteR SCienCe (LiaCS)
SOORTENRIJKDOM IN
COMPUTERPROGRAMMA’S
“er zijn mensen die zeggen dat we voor god spelen door computerprogramma’s
te laten evolueren. Waar dit onderzoek over gaat is:
laten we dat dan ook maar helemaal doen, en soorten laten
ontstaan.” vanuit Princeton klinkt Ofer Shir over de telefoon niet of
hij het als een verwijt opvat, dat voor god spelen. en informatica is
ook niet zo’n ethisch mijnenveld als bijvoorbeeld gentechnologie.
als de natuur betere computerprogramma’s kan schrijven dan
mensen, waarom dat dan niet laten gebeuren?
En computerprogramma’s schrijven, dat kan de natuur. Shir geeft
het voorbeeld van een op de computer ontworpen spuitmond die
een mengsel van vast en vloeibaar materiaal moest verwerken.
Het is een klassieker van het vakgebied: een computerprogramma
dat een basismodel voor zo’n spuitmond kon tekenen, werd op een
paar punten subtiel gewijzigd, telkens anders, zodat je een paar
verschillende programma’s kreeg die licht verschillende spuitmonden
ontwierpen. Die ontwerpen werden niet gemaakt maar wel
virtueel aan het werk gezet in een computermodel. De ‘ontwerper’
van de beste spuitmond mocht als het ware ‘kinderen krijgen’ die
het allemaal weer iets anders aanpakten.
“Uiteindelijk werd een voor dit doel heel goede spuitmond ontworpen,”
zegt Shir, “met een heel vreemde vorm. Achteraf kunnen we
analyseren waarom hij beter is, maar een mens had dat nooit zo
bedacht. Dat komt door de willekeurigheid die altijd bij evolutie
komt kijken, dat is een enorm krachtige bron.”
Zoals een mens ook nooit kan bedenken waar hij precies terecht zal
komen. Shir werd geboren in Jeruzalem. Hij ging daar naar de
middelbare school en zoals iedere Israëliër ging hij daarna drie jaar
verplicht in het leger. Vechten hoefde hij er niet, maar wat hij wel
deed, kan hij niet zeggen. “Zeker niet over de telefoon. Laten we het
er maar op houden dat het onderzoek was. Dat was prettig, omdat ik
mijn hersenen dan tenminste nog kon gebruiken. Maar het was geen
wetenschappelijk onderzoek, niet iets waarmee je bijvoorbeeld je
wiskunde een beetje bij kon houden. Daar was ik later inderdaad veel
van vergeten. Het was wel iets waar je later in je leven nut van hebt...”
evolutionair programmeren
Na een B.Sc. in zowel de informatica als de natuurkunde aan de
Universiteit van Jeruzalem kwam hij naar Leiden om in de informatica
een masterdiploma te halen. En wat bedoeld was als een Nederlands
jaar, werd een langer verblijf voor een promotie op het gebied van
evolutionair programmeren, een onderwerp waarmee Shir hier pas
kennis maakte. Nu dat proefschrift af is, heeft hij een nieuwe stap
gezet in zijn wetenschappelijke ontwikkeling: hij is aan de universiteit
van Princeton van vakgebied ‘overgelopen’ en past zijn expertise in
evolutionair programmeren nu toe bij een vakgroep fysische chemie.
17

18
OFER SHIR
In zijn Leidse onderzoek bestudeerde hij de volgende stap in zijn
vakgebied: soortvorming. Met andere woorden: het door evolutie
laten ontstaan van meerdere programma’s die allemaal een goede
oplossing geven van het probleem waar ze ‘voor geschapen zijn’.
Dat is een logische stap als je de natuur wilt nadoen. Daar zie je
immers ook meer dan één plant of één dier?
Bij levende wezens komt dat doordat soorten al evoluerend in
een ‘niche’ terechtkomen, een omgeving waarin ze niet al teveel
concurrentie of gevaar ondervinden. Een niche kan een bepaalde
plek zijn, bijvoorbeeld een eiland voor een schildpadsoort die daar
geen natuurlijke vijanden heeft. Maar het kan ook een voedselbron
zijn die de concurrentie links laat liggen. Eten de zebra’s het gras al
op, dan eet de giraf de blaadjes in de bomen wel. Een niche is een
omgeving waar een diersoort succes heeft. Je zou ook kunnen
zeggen: de enige omgeving waar hij niet uitgestorven is.
Pioniers in ecosystemen
In zijn proefschrift beschrijft Shir een aantal voorwaarden waar
een ‘ecosysteem’ voor computerprogramma’s aan moet voldoen.
De belangrijkste die hij heeft gevonden is, dat je elke soort dezelfde
hoeveelheid hulpbronnen moet garanderen. “Je begint met vijf
pioniers. Die krijgen allemaal bijvoorbeeld twintig licht verschillende
nakomelingen, en daarvan kies je de beste. Dat zijn de
‘alfa-mannen’, zij alleen krijgen zelf weer twintig nakomelingen.
Wie de nakomelingen krijgt, bepaalt het succes, niet hoeveel
nakomelingen het zijn.”
Laat je ook de hoeveelheid nakomelingen het succes bepalen, dan
loop je grote kans dat één type computerprogramma totaal gaat
overheersen. Je zou kunnen zeggen dat je daarmee de beste oplossing
voor je probleem te pakken hebt die je met evolutionaire methoden
kunt vinden. “Maar misschien heb jij goede redenen om de op een
na beste oplossing te kiezen”, zegt Shir. “Vanwege de vorm, de grootte
of het materiaal waarin je het wilt maken. En voor de theorie hebben
we natuurlijk de stimulans dat we willen zien hoe dat gaat, soorten
maken.”
Wat dat betreft is het wel vreemd, dat biologen niet zo heel
geïnteresseerd zijn in het werk dat Shir en zijn collega’s in
Nederland en in de VS doen. Computerprogramma’s aanpassen
langs evolutionaire weg wordt al gedaan sinds de jaren zestig.
Al die tijd is in de theo retische biologie flink gesleuteld aan de
details van de evolutietheorie, met name ook als het om het
ontstaan van soorten gaat, en daarover is het laatste woord nog
lang niet gezegd.
“Ik denk dat we aan dat vakgebied iets zouden kunnen bijdragen,
maar ik heb het zelf nooit geprobeerd”, zegt Shir. “En het contact
met de biologen is lastig. We hebben in Leiden wel eens een aantal
bijeenkomsten belegd, en dan glimlachen ze, maar laten toch
merken dat ze het een spel vinden. Er is geen onmin, ze vinden
ons geen concurrentie, ze hadden gewoon niet veel belangstelling.
En er zijn ook taalproblemen, het jargon is in beide groepen heel
anders. Hier in Princeton praat ik ook wel eens met evolutionairbiologen,
maar om echt met ze samen te werken, dat gaat nog een
hele toer worden.”
Bas den Hond

Een klassiek voorbeeld van evolutionair programmeren: een op de computer ontworpen spuitmond die een mengsel van vast en
vloeibaar materiaal moest verwerken. Een computerprogramma dat een basismodel voor zo’n spuitmond kon tekenen, werd op een
paar punten subtiel gewijzigd, telkens anders, zodat je een paar verschillende programma’s kreeg die licht verschillende spuitmonden
ontwierpen. Het eindresultaat was een heel goede spuitmond met een bijzondere vorm die nooit door een mens bedacht zou zijn.
(Bron: http://evonet.lri.fr/CIRCUS2/node.php?node=72)
19

20
Francis vuijsje, Meta de Hoon en Remco van der Burg studeren sterrenkunde in Leiden. Meta voltooide een bacheloropleiding Lucht- en
Ruimtevaarttechniek in Delft voordat ze in Leiden kwam studeren. Haar masteropleiding Lucht- en Ruimtevaarttechniek heeft ze inmiddels
afgerond. Dr. ignas Snellen werkte aan het Royal Observatory in edinburgh voor hij in 2004 bij de Leidse Sterrewacht kwam werken. Hij
maakte onderdeel uit van het team Leidse sterrenkundigen dat er als eerste in de wereld in slaagde om vanaf de aarde de dampkring van
de bekendste exoplaneet (HD209458b) waar te nemen. Studiebegeleider Snellen is tevens docent van het Sterrenkundig practicum-2 voor
Bachelor studenten.

REMCO VAN DER BURG, FRANCIS VUIJSJE, META DE HOON & IGNAS SNELLEN
SteRReWaCHt LeiDen
DE JACHT OP REMEFRA
net van de middelbare school af en dan een nieuwe planeet
ontdekken. Het overkwam drie Leidse bachelorstudenten Sterrenkunde.
Of ze nu professionele planetenjagers gaan worden, valt nog
te bezien. Studiebegeleider ignas Snellen: “in onze opleiding is een
zo breed mogelijke oriëntatie heel belangrijk.”
Natuurlijk maakten ze er volop grapjes over, en natuurlijk speelde
het idee regelmatig door hun hoofd. Want laten we eerlijk zijn: als je
een methode bedenkt om naar planeten bij andere sterren te zoeken,
zou het zo maar kunnen dat je er ook echt een vindt. Sterker: Remco
van der Burg, Meta de Hoon en Francis Vuijsje hadden zelfs al een
ludieke naam voor zo’n planeet bedacht. Hij zou Remefra worden
genoemd, naar de eerste letters van hun voornamen. “Maar je gaat er
niet echt serieus van uit”, zegt Remco. Planeten ontdekken? Dat is
iets voor gevestigde astronomen, niet voor Leidse bachelorstudenten.
Toch zaten ze gedrieën op dinsdagavond 6 november 2007 aan tafel
bij Matthijs van Nieuwkerk in het tv-programma De wereld draait
door. Verschenen er nieuwsberichten, interviews en achtergrondartikelen
in kranten en tijdschriften. En publiceerden ze samen met hun
studiebegeleider Ignas Snellen een wetenschappelijk artikel in
Astronomy and Astrophysics. De eerste ‘studentenplaneet’ was een feit.
Het blijkt nog een bijzonder exemplaar te zijn ook.
Voordat hij in 2004 naar Leiden kwam, werkte Snellen aan het
Royal Observatory in Edinburgh. Daar raakte hij geïnteresseerd in
exoplaneten – planeten bij andere sterren dan onze zon. De laatste
tijd worden steeds meer van die exoplaneten gevonden via de
zogeheten overgangstechniek: als je vanaf de aarde precies van opzij
tegen de baan aankijkt, bewegen ze regelmatig voor hun moederster
langs, en onderscheppen ze een klein beetje sterlicht. Om zulke
planeetovergangen te vinden, moet je tienduizenden sterren
nauwlettend in de gaten houden. Of op zoek gaan in bestaande
databases met helderheidsmetingen.
Hoe? Dat mochten sterrenkundestudenten Remco, Meta en Francis
uitzoeken, als onderdeel van hun bacheloronderzoek. “Remco en
Francis deden het grootste deel van het programmeerwerk”, vertelt
Meta, die een paar jaar ouder is dan haar twee mede-ontdekkers en
al een bacheloropleiding lucht- en ruimtevaarttechniek in Delft had
voltooid voordat ze naar Leiden kwam. “Maar,” vult Remco aan, “we
deden echt alles samen. ‘Eén team, één taak’, dat was het motto.”
geluk
Uitgangspunt vormde de publieke database van het Pools-Amerikaanse
OGLE II-project. Met een kleine telescoop op de Las
Campanas-sterrenwacht in Chili was van tienduizenden sterren aan
de zuidelijke hemel op gezette tijden de helderheid bepaald.
Doel van het project: onderzoek aan zogeheten zwaartekrachtlenzen,
21

22
REMCO VAN DER BURG, FRANCIS VUIJSJE, META DE HOON & IGNAS SNELLEN
een compleet andere tak van sport in de astronomie. Maar in die
miljoenen helderheidsmetingen zou je misschien ook planeetovergangen
op het spoor kunnen komen.
Toen de zoekmethode eenmaal was ontwikkeld en beproefd, hadden
Remco, Meta en Francis de slag te pakken. Hoog tijd om ook echt op
planetenjacht te gaan. Francis: “We richtten ons op de vijftienduizend
helderste sterren in de database. De schatting was dat daar één
of hooguit twee planeetovergangen tussen zouden zitten.” Of nul
natuurlijk. “Het was duidelijk dat we echt geluk zouden moeten
hebben”, aldus Snellen. Lang niet alle sterren worden door grote
planeten vergezeld, en dan moet de oriëntatie van de baan ook nog
eens precies goed zijn. “Vanaf het moment dat we echt begonnen te
zoeken, zat de mogelijkheid van een daadwerkelijke ontdekking
echter wel de hele tijd in mijn hoofd”, vult Meta direct aan.
Met een verwachte zoektijd van vijf minuten per ster was direct
duidelijk dat er heel veel computertijd nodig was. In de meivakantie
van 2007 werden bijna alle pc’s van collega-astronomen ‘overgenomen’
om deel te nemen aan de planetenjacht. De hele vierde
verdieping van het Oortgebouw aan de Niels Bohrweg stond dag en
nacht te stampen, en een week later boog het Leidse exoplanetenteam
zich over de resultaten. Remco: “Het programma zegt niet:
‘Er is een planeet gevonden.’ Je moet de kandidaten stuk voor stuk
checken.”
Er waren zo’n achthonderd potentiële sterren ontdekt. In verreweg
de meeste gevallen ging het om ‘vals alarm’. Uiteindelijk bleven er
negen heuse ‘overgangskandidaten’ over. Eén daarvan vertoonde alle
kenmerken van een bona fide exoplaneet. Een slag groter dan Jupiter,
met een omlooptijd van twee dagen, elf uur en veertig minuten. In
een baan rond een ster op vijftienhonderd lichtjaar afstand. Nee, er
ging niet meteen een fles champagne open. “Op zo’n moment moet
je heel nuchter blijven”, zegt Meta. Maar Snellen had er eigenlijk
meteen een goed gevoel over: “Die dag had ik echt het idee dat het
wel eens raak zou kunnen zijn.”
Zekerheid
Absolute zekerheid kwam overigens pas maanden later, toen er
vervolgwaarnemingen aan de ster verricht werden met grote
telescopen in Chili, onder andere met de Europese Very Large
Telescope (VLT). Daaruit bleek dat de planeet ruim anderhalf keer
zo groot is als Jupiter, en dat de ster waar hij omheen draait een
oppervlaktetemperatuur heeft van bijna 6700 graden en bovendien
een hoge rotatiesnelheid heeft. “Nog nooit is er een exoplaneet
gevonden bij zo’n hete, snel roterende ster”, verduidelijkt Snellen.
Vermoedelijk is de gasvormige reuzenplaneet opgezwollen door de
energierijke straling van de ster, hoewel de details van dat mechanisme
nog slecht bekend zijn.
Een tweede artikel over OGLE2-TR-L9b, zoals de Leidse exoplaneet
officieel wordt aangeduid, wordt binnenkort gepubliceerd, eveneens
in Astronomy & Astrophysics. Snellen: “Het is absoluut uitzonderlijk
dat er vakpublicaties voortvloeien uit een bacheloronderzoek.” In de
toekomst hoopt hij met de VLT Survey Telescope nog veel meer
exoplaneten op te sporen. De eerste waarnemingen met de sterk
vertraagde telescoop worden in het voorjaar van 2009 verwacht.
Voor Remco, Meta en Francis is het niet vanzelfsprekend dat ze in de
toekomst in het exoplanetenonderzoek belanden. “Ik ben nog een
groentje natuurlijk,” grijnst Remco, “en voor mijn masteropleiding
doe ik onderzoek op heel andere terreinen.” Datzelfde geldt voor
Francis. “Het is een leuk onderwerp,” zegt ze, “maar er zijn zo veel
leuke onderwerpen in de sterrenkunde.” Meta tenslotte heeft
inmiddels haar masteropleiding lucht- en ruimtevaarttechniek
afgerond, en twijfelt of ze er ook nog een master sterrenkunde aan
vast plakt. “Want uiteindelijk ligt mijn interesse toch vooral bij de
techniek.”
Govert Schilling

Het bovenste paneel laat een schematische weergave zien van een exoplaneet (rood) die voor haar ster langs gaat. Omdat een klein
gedeelte van de ster hierdoor wordt verduisterd, zal de ster gedurende de overgang iets minder helder lijken (middelste paneel). Het
onderste paneel laat de door de Leidse studenten ontdekte lichtcurve zien. De ster vertoont eens in de 2,5 dagen net zo’n dipje als
door het model voorspeld.
23

24
Michael Stech (1970) studeerde biologie in Bonn en promoveerde in Berlijn. De studie van mossen – naamgeving, verspreiding en
evolutie – vormt de rode draad in zijn carrière. Hij schreef een tweede proefschrift in Berlijn, wat in Duitsland vereist is voor wie
hoogleraar hoopt te worden. Maar zijn toekomst ligt waarschijnlijk in Leiden, waar hij een aanstelling kreeg als universitair docent
bij het nationaal Herbarium nederland.

MICHAEL STECH natiOnaaL HeRBaRiUM neDeRLanD (nHn)
MOSSENRAADSEL OPGELOST
al als jongetje in Duitsland was Michael Stech in de weer met
planten. als dertienjarige begon hij een herbarium, als zeventienjarige
specialiseerde hij zich in mossen en schreef hij daar twee
artikelen over. Dat enthousiasme is gebleven. Stech boog zich over
het wonderlijke verspreidingspatroon van een groepje mossen met
de naam echinodium. Ze zijn te vinden op eilanden in de atlantische
Oceaan (azoren, Madeira en Canarische eilanden) én helemaal aan
de andere kant van de aarde, in het Pacifisch gebied rond nieuw-
Zeeland. verder nergens. Stech loste dit raadsel op.
Mossen trekken veel minder aandacht dan bloemplanten, zelfs
bij biologen. Ze vallen minder op. Maar bekijk je ze met de loep
of onder de microscoop, dan blijkt er een grote diversiteit onder
mossen te bestaan. Ze vormen een belangrijk onderdeel van bijna
alle ecosystemen. Dat waren de redenen dat Stech er juist wel
aandacht voor had. Dankzij de beslissing van de Leidse tak van het
Nationaal Herbarium om de mossenstudie na lange tijd weer op te
pakken, kon hij hier aan de slag.
Hij zocht een interessante plek uit voor zijn onderzoek: de Azoren,
Madeira en de Canarische eilanden in de Atlantische Oceaan. Die
eilanden zijn omhooggekomen vulkanen van 20 miljoen jaar oud,
nooit verbonden geweest met het vasteland. De vraag is dan: waar
komen de planten die er van nature groeien vandaan? En zijn er
soorten bij die op de eilanden zelf zijn ontstaan?
“Van de bloemplanten weten we, dat ze sterk verwant zijn aan de
soorten van het Middellandse-Zeegebied”, vertelt Stech. “Dat is ook
het meest nabij. Maar mossen hebben hele kleine sporen waarmee ze
zich gemakkelijk over grotere afstanden kunnen verspreiden. Het
blijkt dan ook dat er veel mossen op de Atlantische eilanden groeien
waarvan de herkomst in Midden- en Zuid-Amerika ligt, naast
soorten met een oorsprong in Europa, Afrika en Noord-Amerika.”
De vier mossoorten van het geslacht Echinodium stelden de biologen
echter voor een raadsel (nauw verwante soorten vormen samen een
geslacht). De enige andere plekken ter wereld waar ook nog twee
Echinodium-soorten groeiden, liggen namelijk zo ver weg als maar
enigszins mogelijk is: het zuidoostelijke puntje van Australië,
Nieuw-Zeeland, Nieuw-Caledonië en Fiji, kortom: een deel
van het Pacifisch gebied.
toevluchtsoorden
Op het bureau van Stech liggen een paar dichtgevouwen A4-tjes en
krantenpagina’s die hij openmaakt om de verschillende Echinodiummossen
te laten zien die er in zitten. Ze lijken allemaal sprekend op
elkaar. Ze zijn vrij groot en struikachtig met onregelmatige vertakkingen
en ze hebben lange spitse blaadjes met een nerfachtige
verdikking in het midden. “Voor de slaapmossen, de grote groep
waartoe deze soorten behoren, zijn dat bijzondere kenmerken”,
vertelt Stech. “Er is weleens iemand geweest die betwijfelde of alle
25

26
MICHAEL STECH
Echinodium-soorten wel nauw met elkaar verwant waren, maar de
overeenkomst in die typische vormen is zo overtuigend, dat daar
nooit echt onenigheid over was.”
Het wonderlijke verspreidingspatroon was de afgelopen honderd
jaar wel onderwerp van discussie. Het idee was, dat het geslacht
Echinodium vroeger op heel veel plaatsen vertegenwoordigd was,
maar nu is teruggedrongen tot een paar laatste toevluchtsoorden.
En inderdaad groeien de soorten op de Atlantische eilanden in
laurierbossen, de restanten van een ecosysteem dat ooit overal in het
Middellandse-Zeegebied voorkwam maar nu bijna geheel verdwenen
is. “De laurierbossen van de eilanden vormen één van de meest
unieke ecosystemen van Europa”, zegt Stech. Ook in het Pacifisch
gebied leven de Echinodium-soorten in restanten oud bos.
Toch blijft het verspreidingspatroon vreemd. Het is wel heel sterk
dat er nergens anders Echinodium groeit. Zo’n raadsel was vroeger
onoplosbaar. Dankzij de mogelijkheid van DNA-analyses kon Stech
de kwestie nu wel aanpakken. Hoe meer verschillen in het DNA
van twee soorten, hoe minder nauw ze aan elkaar verwant zijn,
is het uitgangspunt. Met DNA-onderzoek zijn verwantschappen
te achterhalen.
Frisse blik
Stech bezocht Madeira en vijf van de negen Azoren om mossen te
verzamelen. Uit het Pacifisch gebied was ook materiaal beschikbaar.
Naast de zes Echinodium-soorten (vier Atlantische, twee Pacifische)
analyseerde hij ook DNA van andere slaapmossen: 62 mosplantjes in
totaal.
De stamboom die hij op grond van die analyses heeft gemaakt,
laat in één oogopslag zien wat er aan de hand is. De Echinodiumsoorten
vormen niet één, maar drie takken, en die takken zitten
dichter bij andere soorten dan bij elkaar. Conclusie: de Echinodiumsoorten
zijn helemaal niet zo nauw aan elkaar verwant.
De vorm overeenkomst was misleidend.
De twee Pacifische soorten vormen samen een takje. Daarmee is
meteen het vreemde verspreidingspatroon van tafel: de Pacifische
soorten staan helemaal los van de Atlantische. Ze zijn niet langer
Echinodium-soorten, maar horen thuis in een ander geslacht:
Thamnobryum. Dan is er een tak met drie Echinodium-soorten
van de Atlantische eilanden. Zij blijven Echinodium heten.
En dan de grootste verrassing: de vierde Atlantische Echinodiumsoort
blijkt niet verwant te zijn met de andere drie, maar verhuist
naar het geslacht Isothecium. Stech keek daar ook van op, maar kan
zich nu goed vinden in die uitkomst: “Deze soort ziet er toch wel iets
anders uit, de blaadjes zijn wat minder lang en spits. Als je er met
een frisse blik naar kijkt, past hij heel goed bij andere Isotheciumsoorten.
Dat is het mooie van dit werk. Toen DNA-analyses net
nieuw waren, betwijfelden veel biologen of de resultaten ervan even
bruikbaar waren als uiterlijke kenmerken. Nu blijkt dat DNA-onderzoek
aanvullende gegevens levert die de vormkenmerken kunnen
ondersteunen.”
aanpassingen
Het idee is nu dat de voormalige Echinodium-soorten uit drie
verschillende voorouders zijn ontstaan, waarschijnlijk op de plaats
waar ze nu groeien. De vraag is dan nog wel waarom ze zo verraderlijk
veel op elkaar lijken. Stech schrijft dat toe aan hun overeenkomstige
leefomgevingen, waaraan ze zich hebben aangepast met een
overeenkomstige vorm van takken en blaadjes.
De herkomst van de Atlantische mossen is nog niet helemaal
opgelost. Van Isothecium komen soorten voor in Europa; de
Nederlandse naam is palmpjesmos. Waar de voorouders van de drie
overgebleven Echinodium-soorten vandaan kwamen, weet Stech nog
steeds niet. “Er zijn duizenden soorten slaapmossen en we hebben
van veel te weinig soorten DNA-gegevens om een definitieve
stamboom te kunnen maken”, legt hij uit. “We weten nog niet met
welke andere soorten de drie Echinodium-soorten het meest verwant
zijn, dus ook niet waar we een voorouder moeten zoeken.”
En daarmee is hij aangekomen bij zijn plannen voor de toekomst:
doorzoeken tot hij ook die vraag heeft beantwoord.
Willy van Strien

Echinodium renauldii is een mossoort
die alleen op de Azoren voorkomt.
Het eiland Madeira is nog tot ca. 20%
bedekt met laurierbossen – een uniek
ecosysteem in het midden van de Atlantische
oceaan.
Echinodium renauldii en vele andere
soorten zijn bedreigd omdat op de
Azoren (hier op het eiland Terceira) nog
maar restanten van de oorspronkelijke
laurierbossen te vinden zijn.
27

28
Martijn verdoes studeerde scheikunde aan het HLO in Leiderdorp, om zijn studie aan de Universiteit Leiden te vervolgen in de synthetischorganische
chemie. Ook zijn promotieonderzoek deed hij op het grensvlak van biochemie en de synthetische chemie. Hij hoopt als postdoc
zijn onderzoek te kunnen vervolgen aan de University of Stanford.

MARTIJN VERDOES LeiDS inStitUUt vOOR CHeMiSCH OnDeRZOek (LiC)
CHEMIE VOL KOPPELINGEN
Synthetisch-organische chemie en biochemie: twee ogenschijnlijk
volslagen verschillende takken van de chemie. toch kunnen ze
verenigd zijn in één onderzoeker, wat het geval is bij Martijn
verdoes. in zijn promotieonderzoek weet hij het beste van beide
te combineren.
“Eigenlijk heb ik in mijn loopbaan weinig bewuste keuzes gemaakt,
maar ben ik telkens een volgende stap ingerold”, vertelt Martijn
Verdoes. “Iets bleek leuk en dan ging ik ermee verder.” Zijn loopbaan
in de scheikunde begon met een studie aan het HLO in Leiderdorp.
“Op een gegeven moment moest ik kiezen tussen de biomedische en
de chemische richting. Ik koos toen voor de scheikunde. Vooral
omdat je daarbij tenminste ziet waar je mee bezig bent, en dus niet
alleen met microliters aan het werken bent.” Het HLO bleek niet zijn
eindpunt. “Daar leerde ik vooral hoe ik proefjes moest doen, maar ik
kreeg er te weinig achtergrond. Die achtergrond interesseerde me
juist wel. Daarom ben ik naar de Universiteit Leiden doorgestroomd.”
Daar ging hij verder met de ‘harde scheikunde’: synthetisch-
organische chemie. Verdoes: “Daarbij werk je naar het eindmolecuul
toe, dat probeer je te maken. Het is een beetje puzzelen. Het is altijd
leuk als je je doel hebt bereikt. Maar als je het eenmaal in handen
hebt, dan is het ook klaar. Je schrijft het op en dan gaat die stof bij
wijze van spreken gelijk het afvalvat in.”
grensvlak
Daar kwam verandering in bij zijn tweede stage, in Boston, waar hij
werkte aan een project op het grensvlak van biochemie en chemie.
“Ik merkte toen hoe leuk dit soort onderzoek is. Je hebt nog steeds
de genoegdoening van het maken van een mooi molecuul, maar
daarna kun je er nog een heel project mee uitvoeren.” Terug in
Leiden ging hij daarom vergelijkbaar promotieonderzoek doen.
Hij legt uit: “Ons project gaat over het selectief labellen van eiwitten
om ze zichtbaar te maken en te isoleren. Ik heb daarvoor moleculen
gemaakt en ze in cellen getest.”
Hij kwam op het idee door een eerder project. “Ik had moleculen
gesynthetiseerd waarmee je specifiek het proteasoom kunt labelen:
het eiwitcomplex dat in een cel oude en beschadigde eiwitten in
stukjes knipt.” Deze synthetische moleculen beschikten zowel over
een chemische groep die specifiek reageert met het proteasoom, als
over een fluorescente groep. “Het voordeel van deze probe was dat je
er het proteasoom gemakkelijk mee zichtbaar kon maken. Je kunt
dus snel zien waar je eiwit zit en hoeveel het is. Dan kun je kijken
hoe goed bijvoorbeeld remmers van het proteasoom werken.
Maar daarmee hielden de mogelijkheden op.”
Hij wilde daarom een soortgelijk molecuul maken met veel meer
potentie. Een molecuul dat je, naast specifiek labellen en zichtbaar
29

30
MARTIJN VERDOES
maken, ook kunt gebruikten om een eiwit te karakteriseren. Zulke
moleculen heeft hij ontworpen, gesynthetiseerd én getest op cellen.
Drie functies
De moleculen bestaan uit drie delen, die de drie verschillende
functies uitvoeren (zie afbeelding). Aan de ene kant zit een groep die
specifiek een actief eiwit herkent en eraan bindt. Aan de andere kant
zit een reactieve chemische groep – een azide. Die kan later voor een
andere reactie gebruikt worden, bijvoorbeeld om het gelabelde eiwit
te koppelen aan biotine, zodat het eiwit gemakkelijk geïsoleerd en
gekarakteriseerd kan worden. En deze twee groepen zitten aan elkaar
vast met een fluorescerende ‘linker’, de derde functie.
Wat kun je nu met zo’n molecuul? “Als specifieke groep heb ik een
groep gebruikt die aan het proteasoom bindt. Het molecuul kun je
aan cellen toevoegen en het bindt dan covalent aan proteasomen.
Vervolgens kun je dankzij de fluorescente groep zien dat je iets hebt
gelabeld. Door de inhoud van de cel vervolgens op een eiwitgel te
zetten, zie je ook hoe groot het gelabelde eiwit is.”
Dan is er nog de tweede reactieve groep. Verdoes: “Daarmee kun je
het gelabelde eiwit aan biotine koppelen en vervolgens het eiwit
gemakkelijk isoleren en karakteriseren. Zonder die biotine vis je veel
te veel andere eiwitten tegelijk mee uit de cel en dat verhindert de
karakterisering.” Het is de eerste keer dat zo’n ‘fluorofoor’ met twee
handige reactieve groepen is gemaakt.
En het bleek ook nog goed te werken. Verdoes kon met zijn eigen
molecuul het proteasoom zichtbaar maken en koppelen aan biotine.
“De opbrengst was zelfs heel goed. De inhoud van een cel is
chemisch gezien de meest smerige omgeving die je kunt bedenken.
Met overal reactieve groepen. Maar je wilt toch selectief een heel
klein deel van de totale massa laten reageren.” Dat bleek bijzonder
goed te gaan. “Met de juiste condities bleken alle gelabelde eiwitten
met biotine te reageren.” Het werkte ook veel beter dan moleculen
waar biotine al in het begin aan vastzat. “Die zijn groter en hydrofieler
en kunnen daardoor minder gemakkelijk de cel in. Daarom
werken die slechter.”
kanker-biomarkers
Naast nuttig was het onderzoek ook nog leuk om te doen. “Ik vond
het echt fantastisch”, vertelt Verdoes enthousiast. “Het idee krijgen
om zo’n molecuul te maken is al leuk, als het lukt om het te
synthetiseren is het al helemaal mooi en als het dan ook nog doet
wat je wilt, dan is dat natuurlijk geweldig. Vooral de combinatie van
organische chemie en biochemie, die spreekt me al aan sinds mijn
stage in Boston.”
Inmiddels werken Verdoes en zijn collega’s al aan andere toepassingen
voor deze moleculen. Ze kunnen namelijk worden aangepast
om andere eiwitten specifiek te labellen en uit cellen te vissen.
Bovendien zijn ze ook nuttig als tool om bijvoorbeeld de werking
van nieuwe vaccins te begrijpen.
Verdoes zelf? “Ik heb bij het NWO een beurs aangevraagd om naar
Stanford te gaan. Daar wil ik aan een project werken dat eveneens
synthetische chemie en biochemie combineert: met dit soort
technieken hoop ik kanker-biomarkers te maken. Hopelijk leer ik
daar nog meer biochemie, bijvoorbeeld het werken met muizen.
Het betreft alweer een gecombineerd onderzoek met organische
chemie en biochemie. Het zijn ook geen aparte dingen, ze horen bij
elkaar. It’s all about chemistry.”
Elisabeth Meulenbroek

Het principe van tweestapslabelling met de moleculen van Martijn verdoes.
Cellen worden blootgesteld aan het molecuul. Het reageert daar met een specifiek eiwit, bijvoorbeeld het proteasoom. Na het openbreken
van de cellen wordt biotine gekoppeld aan het gelabelde eiwit via een chemische reactie. Met zogenoemde streptavidine beads
kan het gelabelde eiwit vervolgens worden gezuiverd en worden gekarakteriseerd via bijvoorbeeld massaspectrometrie. De fluorescerende
groep (fluorofoor) zorgt dat alle stappen van het proces gemakkelijk kunnen worden gevolgd.
31

32
Freek vonk (1983) raakte op zijn veertiende voor het eerst een slang aan, bij een vriendje thuis. een half jaar later had hij er zelf vijftig.
De scooter waar hij al jaren voor spaarde, kwam er nooit: al zijn geld ging op aan slangen. vonk werkte vijf jaar bij een reptielendierentuin
en ging in 2001 biologie studeren in Leiden, waar hij zich verdiepte in de evolutie van gifslangen. tijdens zijn doctoraalstudie publiceerde
hij driemaal in nature en eenmaal in Science. Onlangs begon hij in Leiden aan een promotieonderzoek.

De nieuwe Steve irwin? Misschien. Hij stort zich inderdaad met
evenveel passie bovenop de gevaarlijkste gifslangen. Hij heeft
datzelfde enthousiasme bij het overbrengen van zijn boodschap.
Maar Freek vonk is ook nog eens een zeer talentvolle wetenschapper.
tijdens zijn studie publiceerde hij al meermalen in toptijd schriften.
nu vervolgt hij als promovendus zijn onderzoek naar
de evolutie van gifslangen.
“Slangen zijn niet alleen maar eng, en wetenschap is niet alleen maar
saai. Die boodschap wil ik graag uitdragen.” Aan het woord is Freek
Vonk, kersverse promovendus bij het Instituut Biologie Leiden. In
juni haalde hij zijn doctoraaldiploma, waarna hij meteen bij dezelfde
afdeling aan de slag kon met een Toptalentbeurs van NWO. Met deze
beurs van 180.000 euro kunnen talentvolle onderzoekers hun eigen
promotietraject invullen. Een prestigieuze zaak. “Ik weet nog goed
dat ik een telefoontje kreeg dat ik de beurs had gekregen,” vertelt hij.
“Dat was op Koninginnedag. Ik stond te dansen en te springen van
vreugde.”
Twee maanden later volgde nog zo’n verrassingsmoment.
Vonk: “Ik was in Israël om slangen te vangen toen ik een e-mail
kreeg: onze slangenfoto was uitgekozen voor de voorpagina van
Nature. Daarmee was ons artikel het coverartikel geworden.
FREEK VONK inStitUUt BiOLOgie LeiDen (iBL)
IN DE BAN VAN SLANGENGIF
Ongelooflijk.” Het artikel in kwestie verscheen eind juli in het
toptijdschrift, met Vonk als eerste auteur. Het ging over de evolutie
van giftanden bij slangen, een onderwerp dat altijd veel discussie
heeft opgeroepen. “Verschillende groepen slangen hebben verschillende
typen giftanden,” vertelt Vonk. “De ‘primitieve’ slangen, zoals
pythons en boa’s, hebben geen giftanden. De ‘geavanceerde’ slangen
hebben giftanden die ofwel voorin, ofwel achterin de bek staan.
Cobra’s en adders hebben ze voorin, maar zelfs die soorten vormen
niet één verwante groep in de slangenstamboom. Ze hebben
bijvoorbeeld verschillende giftanden. Die van cobra’s zijn klein en
onbeweeglijk, terwijl die van adders lang en beweeglijk zijn en in
rust tegen het gehemelte aanliggen.”
embryo’s
Het was vooralsnog onduidelijk hoe deze verscheidenheid aan
giftanden in de loop van de evolutie is ontstaan uit een rij ‘normale’
tanden, zoals die van een python. Zijn giftanden bij de verschillende
groepen slangen onafhankelijk van elkaar geëvolueerd? Of zijn ze
slechts één keer ontstaan? “Giftanden zijn uniek in de dierenwereld,”
zegt Vonk, “dus het zou raar zijn als ze bij slangen meerdere keren
zouden zijn ontstaan, maar nergens anders in de dierenwereld.
Vanuit een evolutionair oogpunt is dat moeilijk te accepteren,
maar toch was dat de gangbare theorie.”
33

34
FREEK VONK
Vonk en zijn begeleider, Mike Richardson, onderzochten daarom
slangenembryo’s van allerlei verschillende soorten, in verschillende
ontwikkelingsstadia. Ze keken daarbij naar de activiteit van één gen
waarvan bekend is dat het bij gewervelde dieren een rol speelt bij
de ontwikkeling van tanden. Ze gebruikten een bepaalde kleurstof
die aantoont waar in het embryo het gen tot expressie komt. “Je ziet
dan duidelijk paars gekleurde gebieden in de kaak,” legt Vonk uit.
“Zo zagen we dat de giftanden bij alle soorten achterin de bek
ontstaan. Ook bij cobra’s en adders, die uiteindelijk alleen giftanden
voorin de kaak hebben.” Die giftanden belanden daar, zo verklaart
Vonk, doordat het achterste gedeelte van de kaak sneller groeit dan
het voorste. Zo worden de giftanden als het ware naar voren geduwd.
Dat verhaal maakt het waarschijnlijker dat de giftanden in de loop van
de evolutie maar één keer zijn ontstaan, en wel achterin de slangenbek.
De onderzoekers toonden verder aan dat giftanden en ‘normale’
tanden zich ontwikkelen uit verschillende tandweefsels. Primitieve
slangen, zoals pythons, hebben maar één tandweefsel. De zogenaamde
‘achtertandgiftige’ slangen, zoals ringslangen, hebben twee
afzonderlijke tandweefsels. Het voorste ontwikkelt zich tot een rij
‘normale’ tanden en uit het achterste ontstaat de giftand. “Om aan te
tonen dat die twee weefsels zich onafhankelijk van elkaar ontwikkelen,
keken we wat er gebeurde als we bij levende embryo’s het
voorste weefsel weghaalden,” vertelt Vonk. “Het achterste weefsel
ontwikkelde zich dan volkomen normaal.” De onderzoekers
concludeerden dat er in geavanceerde slangen een ontkoppeling
heeft plaatsgevonden tussen de voorste en de achterste tanden.
De voortandgiftige slangen, zoals cobra’s en adders, hebben het
voorste tandweefsel in de loop van de evolutie verloren, en het
achterste naar voren verschoven.
De Leidenaren denken dat deze ontkoppeling zo’n zestig miljoen
jaar geleden plaatsvond, bij een primitieve, pythonachtige voorouder
van de moderne slangen. “Door die ontkoppeling konden de
achterste tanden zich ongestoord ontwikkelen tot giftanden,”
aldus Vonk. “We denken dat dit de belangrijkste stap is geweest in
de ontwikkeling van het moderne gifsysteem.” Vonk schreef in 2006
in Nature dat de gifklier zelf al zo’n 140 miljoen jaar daarvóór was
ontstaan, bij een primitieve voorouder van zowel slangen als
hagedissen. Door de ontkoppeling van de achterste tanden konden
de slangen een efficiënt en geavanceerd wapen ontwikkelen,
zo stellen de Leidenaren. Mede daardoor hebben de gifslangen de
hele wereld kunnen veroveren. “Je treft ze overal aan: in boomtoppen,
in oceanen, zelfs in de woestijn,” merkt Vonk op. “Je hebt
zeeslangen, vliegende slangen, slangen van zes meter lang en slangen
die niet groter worden dan tien centimeter. Iedere niche is bezet.
Het gifsysteem heeft zeker aan dat succes bijgedragen.”
Documentaires maken
Tijdens zijn promotietraject wil Vonk niet alleen dieper in de
evolutie van giftanden duiken. Ook allerlei andere bijzonderheden
van slangen hebben zijn belangstelling. “We willen graag het hele
genoom sequencen,” zegt hij. “Slangen zijn een interessante evolutionaire
casus. Ze vormen een schoolvoorbeeld van flexibele lichaamsbouw.
Een langgerekt lichaam, meer dan 300 wervels, geen poten.
We willen graag weten wat daar de genetische basis van is.”
Verder wil Vonk graag tijd besteden aan publieksvoorlichting. Hij
onderhoudt een website over slangen en heeft inmiddels de interesse
gewekt van National Geographic. Zijn plan is om in allerlei gebieden,
zoals de Amazone, voor de camera op zoek te gaan naar gifslangen.
“Ik vind het belangrijk dat mensen zich realiseren hoe bijzonder én
nuttig slangen zijn,” zegt hij. Vonk denkt het populariseren prima te
kunnen combineren met zijn wetenschappelijke carrière. “Alles kan,
als je het maar graag genoeg wilt,” stelt hij. “Ik kan die twee doelen
ook goed met elkaar verweven: tijdens het maken van documentaires
kan ik onderzoeksmateriaal verzamelen.”
Is hij nooit bang dat hij wordt gebeten? “Ik ben altijd op mijn hoede.
Ik duik bovenop die beesten en trek ze overal vandaan, maar alleen
als ik voel dat ’t kan met die slang en onder die omstandigheden.
Het zal wel hetzelfde gevoel zijn dat een autocoureur heeft. Je weet
precies wat je doet, maar je accepteert een bepaald risico.
Een ongeluk zit in een klein hoekje.”
Nienke Beintema

Adult maxillary dentition mapped onto a molecular snake phylogeny to show relative positions of the various fang types.
a, Phylogeny. The evolutionary changes leading from an unmodified maxillary dentition to the different fang types in advanced
snakes are indicated at the nodes:
(1) continuous maxillary dental lamina, no specialized subregions—ancestral condition for advanced snakes;
(2) evolution of posterior maxillary dental lamina—developmental uncoupling of posterior from anterior teeth;
(3) starting differentiation of the posterior teeth with the venom gland;
(4) loss of anterior dental lamina and development of front fangs.
b, c, Adult skulls: lateral views (b); palate, schematic ventral views (c; maxilla coloured, fangs circled). Asterisks indicate species
studied by electron microscopy.
(Bron: Nature 454, 31 July 2008, p. 630-633)
35

36
kai Ye (1977) werd geboren in China. Hij studeerde biologie aan de Universiteit van Wuhan en behaalde daar ook zijn masterstitel in Biopharmaceutical
Science (2003). in 2004 kwam hij op uitnodiging van toenmalig Rector Magnificus Douwe Breimer en Frans Saris, decaan van de faculteit,
naar de Universiteit Leiden. Hij begon bij het Leiden/amsterdam Center for Drug Research (LaCDR) onder leiding van ad iJzerman aan zijn
promotieonderzoek, dat hij in december 2007 afrondde. als postdoc werkte hij tot midden 2008 op het gebied van de farmacochemie in Leiden en
vertrok daarna met een nWO-excellence-beurs voor een jaar naar het european Bioinformatics institute in Cambridge, Uk. Hij kreeg in 2007 de
Outstanding Student abroad-award van de Chinese regering. De promotiedatum van kai Ye is 18 december 2008.

KAI YE LeiDen/aMSteRDaM CenteR FOR DRUg ReSeRaCH (LaCDR)
De manier waarop bepaalde aminozuren qua aantal, volgorde
of patroon ingebed zijn in eiwitketens, zegt iets over hun functie.
Daarom zijn talloze onderzoekers de afgelopen vijftig jaar bezig
geweest met het ontcijferen van ‘de taal des levens’ door reeksen
eiwitten te vergelijken en zogeheten fylogenetische bomen te
construeren. Wat gebeurt er als een virus of een geneesmiddel
een mensenlichaam binnenkomt? Wat verandert er dan in de
eiwitsamenstelling van de cel en hoe kun je dat zien? Onderzoek
daaraan is omvangrijk en tijdrovend, maar is wel essentieel voor
het maken van effectieve geneesmiddelen. Slimme algoritmen die
kai Ye ontwikkelde, leiden tot betere en veel snellere methodes
om grote hoeveelheden eiwitten te vergelijken en te classificeren.
Op aanraden van een docent ging Kai Ye destijds (micro)biologie
studeren. “Want daar is nog het meest te ontdekken en liggen de
uitdagingen voor het oprapen.” Hij studeerde af aan de School
of Pharmacy van de Universiteit van Wuhan met een onderzoek
over de ziekte van Alzheimer. Toen in 2003 enkele Leidse universiteitsbestuurders
deze universiteit bezochten, viel Kai Ye de
bezoekers op als veelbelovend onderzoeker. Het resulteerde in
een uitnodiging. Kai schrapte de VS van zijn verlanglijstje en
reisde af naar Leiden.
Aan het Leiden/Amsterdam Center for Drug Research begon hij
‘TAAL DES LEVENS’
SNELLER ONTCIJFERD
bij Ad IJzerman zijn promotieonderzoek aan GPCR-eiwitten
(de afkorting staat voor G-protein-coupled receptors). Deze eiwitfamilie
is de grootste in het menselijk lichaam, en het aangrijpingspunt
voor tal van geneesmiddelen. De bedoeling was meer te
weten te komen over de interactie tussen geneesmiddelen en
deze eiwitten, door die laatste in meer detail te analyseren.
Kai Ye ontpopte zich volgens IJzerman als een creatief onderzoeker,
die vrij en onvervaard samenwerking zocht met andere
wetenschappers.
Al doende werd Kai Ye bioinformaticus. Hij schrok er niet voor
terug om ICT-methodes te gebruiken die elders in zwang zijn,
zoals sequential pattern mining. Als voorbeeld noemt hij: “Klanten
die een digitale camera kopen, schaffen waarschijnlijk binnen een
maand een memorykaart aan en binnen nog een maand een
fotoprinter. De reeks ‘digitale camera – memorykaart – fotoprinter’
(of c*m*f) noemen we een sequentiepatroon. Zo’n patroon omvat
bepaalde regels en is bruikbaar voor voorraadmanagement en
marketing.”
Hij vervolgt: “Iets dergelijks kun je ook doen met eiwitten en eiwit -
families, van nature geordende verzamelingen van aminozuren.”
Uitgaande van RELIEF – een geavanceerde machine-learning-techniek
ofwel een zelflerend computerprogramma – ontwikkelde hij
37

38
KAI YE
multi-RELIEF voor de identificatie van groepjes aminozuren
die binnen bepaalde clusters gelijk zijn, maar tussen die clusters
verschillen. Een tweede methode hiervoor baseerde hij op
zogenoemde informatie-entropie of Shannon-entropie.
Ook slaagde hij erin zes nieuwe algoritmen te ontwikkelen waarmee
je ongeordende reeksen eiwitten kunt doorlopen en direct regelmatig
voorkomende, biologisch functionele patronen kunt opsporen.
Tot nu toe kon dat alleen in reeksen die eerst geordend waren.
Kai Ye’s vinding betekent een enorme tijdwinst, terwijl het resultaat
ook betrouwbaarder is. Bovendien, aldus Ye, kun je de gevonden
patronen als een soort vingerafdrukken beschouwen waarmee je
een zogenoemde afstandenmatrix kunt berekenen: hoe ver zijn
verschillende eiwitten evolutionair gezien van elkaar verwijderd.
Uit die kennis kun je een fylogenetische boom opbouwen.
Zo wordt duidelijk hoe eiwitfamilies geëvolueerd zijn.
Samenwerking met LiaCS
Kai Ye zegt er trots op te zijn dat het hem gelukt is zulke goede
bioinformatica-resultaten te boeken, terwijl hij bij de aanvang van
zijn promotieonderzoek wel programmeerervaring had, maar amper
thuis was in informatica. Samenwerking met onderzoekers van het
LIACS bracht daar verandering in. “Van programma gebruiker werd
ik programmamaker, samen met mijn biologische achtergrond een
vruchtbare combinatie.” Het resulteerde in verschillende bioinformatica-artikelen.
Ook merkte hij hoe belangrijk het is om niet alleen de juiste
algoritmen te ontwikkelen, maar om ook voor een goede implementatie
te zorgen. Dat levert veel meer citaten en waardering op.
Ye’s methoden en technieken worden nu over de hele wereld
gebruikt (“Exciting!”), terwijl dat met minder gebruikers -
vriendelijke methodes van anderen niet het geval is.
Momenteel verblijft Kai Ye in een soort luilekkerland: het European
Bioinformatics Institute in Cambridge. Hij werkt mee aan het
1000-Genome project van het PANDA-team. “Stel je maar voor:
in Leiden werkte ik samen met enkele bioinformatici – hier zijn het
er vierhonderd. Allemaal experts!”. Hij verdiept zich in DNA. Tot nu
toe werd aangenomen dat ruim 95% van ons erfelijk materiaal
nutteloos is, vandaar de naam junk-DNA. Ye: “Ik kan me dat
eigenlijk niet voorstellen, dus dat wil ik uitzoeken.”
Afgezien van dit probleem liggen er nog talloze uitdagingen op hem
te wachten. Zijn promotor Ad IJzerman adviseert de Engelsen Kai
lekker zijn eigen gang te laten gaan, om optimaal te profiteren van
diens creativiteit. Hij voorziet een gouden toekomst voor Kai Ye.
Godelief Nieuwendijk

Entropy of Class-A GPCRs
3
2
1
0
0
3.32
6.37
5.48
3.25
3.50
3.43
5.35
4.47
Binding site
Conserved
Extracellular end of helices
Helix-helix interaction
Facing membrane
Mixed region
20 40 60
Sum of subfamilies’ entropies
Clustering positions in the two-entropies plot into different
functional categories. The magenta dots ◆, for instance, refer
to individual amino acids that are highly conserved, probably
playing a role in the activation mechanism of the receptors.
Numbers refer to specific amino acid positions in the receptors,
such as red-dotted 3.32 ● in the third trans-membrane domain,
which supposedly plays an important role in drug binding.
The red dots ● in the two-entropies plot correspond to the red
amino acids ✕ in the receptor structure. They are lining the
(yellow) ligand-binding site.
39

40
Fascinated by snake venom
by Freek Vonk
Freek Vonk was fourteen years old when he first handled a snake,
at a friend’s house. Six months later he had fifty snakes of his own.
The scooter that he had spent years saving for never materialised.
Could he be the new Steve Irwin? Quite possibly. He exhibits the
same passion when launching himself at even the most dangerous
snakes, and the same enthusiasm in getting his message across.
But Vonk is also a highly talented scientist. While studying for his
master’s degree he published three articles in Nature and a further
article in Science. Now, as a PhD candidate, he is continuing his
research into the evolution of venomous snakes.
‘the language of life’ deciphered faster
by Kai Ye
The way in which particular amino acids are embedded in protein
chains, in terms of number, sequence or pattern, says a great deal
about their function. This explains why over the past fifty years
countless researchers have worked on deciphering ‘the language of
life’ by comparing series of proteins and constructing what are
known as phylogenetic trees. What happens when a virus or
ENGLISH SUMMARIES
medication enters the human body? What changes occur in the
protein composition of the cell and how can we make this visible?
Research in this field may be extensive and time-consuming,
but it is also essential for developing effective medications.
Clever algorithms developed by Kai Ye have led to better and
faster methods of comparing and classifying large numbers of
proteins.
Multiplicity of types in computer programmes
by Ofer Shir
If nature can write better computer programmes than humans, why
not utilise it? Ofer Shir recently obtained his PhD based on research
in the field of programming. In his PhD dissertation he describes a
number of conditions which an ‘ecosysteem’ for computer programmes
has to meet. The principal condition he identified is that each
type must be guaranteed the same number of resources. Having
completed his dissertation, he has taken a new step in his scientific
career: at the University of Princeton he has changed field and is
now applying his expertise in evolutionary programming within
a physical chemistry research group.

abundant bonding in chemistry
by Martijn Verdoes
Synthetic organic chemistry and biochemistry: two apparently
completely different branches of chemistry. Yet they can come
together in one researcher, which is the case with Martijn Verdoes
whose PhD research manages to combine the best of both worlds.
His project relates to selectively labeling particular proteins in order
to make them visible and to isolate them. The molecules that he
constructs are also useful as a tool for such purposes as understanding
new vaccines.
Of measuring, modeling and membranes
by Timon Idema and Stefan Semrau
To say that they are studying the very origin of life may be going
rather far. It is, however, undeniable that physicists Timon Idema
and Stefan Semrau, researchers at LION, are contributing to
knowledge about the origin of cells. In a unique partnership
between theoretician and experimenter, it became clear how
primitive cells can organise themselves naturally: in the shape of a
peanut.
keys and encryption: out-calculating the enemy
by Robbert de Haan
‘Multi-channel cryptography relies on sending a message via
different routes at the same time. In normal cryptography, you use
encryption to prevent a spy intercepting and deciphering a message.
With the multi-channel method developed by Robbert de Haan,
the message can be intercepted, but not via all the channels.
Dividing the message into a large number of small fragments which
can be shuffled and sent via different routes, allows you to limit the
damage. And, better still, if you use smart maths to shuffle the
segments, the would-be eavesdropper will be unable to read any
parts of the message even though he may have access to some of the
channels. The intended recipient, on the other hand, will be able to
decipher the whole message, even if some of the channels are
completely blocked.
Moss enigma resolved
by Michael Stech
As a young boy in Germany, Michael Stech was always busy with
plants. At the age of thirteen he started a herbarium, at seventeen
he specialised in mosses, about which he wrote two articles.
His enthusiasm is just as strong today. Stech has studied the curious
distribution pattern of a group of mosses of the genus Echinodium.
They can be found on islands in the Atlantic Ocean (the Azores,
Madeira and the Canary Islands) and on the far side of the world, in
the Pacific region around New Zealand, but nowhere else. Stech has
resolved this enigma.
the hunt for Remefra
by Remco van der Burg, Francis Vuijsje, Meta de Hoon and
Ignas Snellen
Just left school and already discovered a new planet! This was the
experience of three Leiden bachelor’s students of astronomy,
supervised by lecturer Ignas Snellen. In the May holiday of 2007,
the pc’s of almost all their fellow astronomers were ‘taken over’ for
the planet hunt, that consisted mainly of analysing an enormous
amount of data. Some 800 potential stars were discovered. Although
the majority proved to be false alarms, finally nine real ‘transit
candidates’ remained. One of these exhibited all the characteristics
of a bona fide exoplanet. A bit bigger than Jupiter, with an orbital
period of two days, eleven hours and forty minutes. In orbit around
a star 1500 light years away.
41

42
De telescoop – erfenis van een
nederlandse uitvinding
Dirk van Delft,
Albert van Helden,
Hans Hooijmaijers en
Huub Zuidervaart
ISBN 978 90 35132 46 7
SUGGESTIES
VOOR ONDER DE KERSTBOOM
Donor in hart en nieren
Nienke Beintema,
Jos van den Broek,
Bert Elbertse en
Jessica Teijl
ISBN 978 90 73196 46 9
Biophysical techniques in
Photosynthesis, volume iii
Thijs J. Aartsma en
Jörg Matysik
ISBN 978 1 4020 8249 8
Jacht op het absolute nulpunt
Dirk van Delft
ISBN 978 90 35133 14 3
eene verzameling ontplofbare
toestellen. De juridische strijd
van kamerlingh Onnes om de
koudste plek op aarde
Dirk van Delft en
Jaap Polak
ISBN 978 90 13056 82 2

Colofon
Tekst: Bas den Hond, Marco van Kerkhoven, Govert Schilling, Willy van Strien, Elisabeth Meulenbroek, Nienke Beintema, Godelief
Nieuwendijk en Marilyn Hedges. Redactie: Margriet van Laere, Sjoerd Verduyn Lunel, Ron van Veen. Eindredactie: Jos van den Broek
en Johan Detollenaere. Foto’s: Peter van Evert. Vormgeving: Ratio Design, Haarlem. Druk: Drukkerij Groen, Leiden. Oplage: 16.250.
Copyright: Faculteit der Wiskunde en Natuur wetenschappen, Universiteit Leiden, december 2008. Overname van de artikelen is
toegestaan met juiste vermelding van de bron.
43

Faculteit der Wiskunde & Natuurwetenschappen
Faculteit W&N
Postbus 9502
2300 RA Leiden
Gorlaeus Laboratoria
Einsteinweg 55
2333 CC Leiden
Tel: 071 527 69 90
Fax: 071 527 69 97
science.leidenuniv.nl