Prof. Ben L. Feringa urodził się 18 maja 1951 r. w Barger‑Compascuum w Holandii. Po uzyskaniu doktoratu z chemii na Uniwersytecie w Groningen pracował kilka lat jako naukowiec dla koncernu Royal Dutch Shell, po czym wrócił na uczelnię.
W 2008 r. został mianowany profesorem Królewskiej Holenderskiej Akademii Nauk, a przez królową Holandii pasowany na rycerza. W 2016 r. otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za przełomowe prace nad maszynami molekularnymi, w tym samym roku został odznaczony Orderem Lwa Holenderskiego (odznaczenie królewskie).
Prof. Ben L. Feringa jest Wybitnym Profesorem Nauk Molekularnych im. Jacobusa van ’t Hoffa na Uniwersytecie w Groningen. To prestiżowe stanowisko nosi imię pierwszego noblisty w dziedzinie chemii, holenderskiego chemika Jacobusa van ’t Hoffa, który w XIX w. odkrył m.in. prawa rządzące reakcjami chemicznymi i stereochemią. Funkcja ta przyznawana jest wybitnym naukowcom, którzy prowadzą pionierskie badania w chemii i naukach pokrewnych.
W rozmowie z Serwisem Naukowym UW prof. Feringa wspomina ważne momenty stojące za jego odkryciami – w tym przełomowe dla świata chwile, gdy po raz pierwszy udało się pokazać, że pojedyncza cząsteczka może obracać się w sposób ciągły, jak mikroskopijny silnik.
Uwaga – wywiad podziała na wyobraźnię! Rozmawiamy o przyszłych zastosowaniach badań naukowca – od precyzyjnych terapii medycznych i inteligentnych materiałów, po sztuczne mięśnie i miękką robotykę – oraz wyzwaniach, które wciąż pozostają przez niego nierozwiązane.
Na bardziej osobistym poziomie prof. Feringa opowiada, jak tłumaczy swoim wnukom, za co otrzymał Nagrodę Nobla, przekładając abstrakcyjną nanonaukę na pojęcia zrozumiałe dla osób spoza świata badań.
Rozmowa z prof. Benem L. Feringą, chemikiem, laureatem Nagrody Nobla
Serwis Naukowy UW: Jakie to uczucie – na poziomie intelektualnym i emocjonalnym, gdy przez wiele lat pracuje się nad projektem i nagle pojawia się to legendarne: „eureka, mam to”?
Prof. Ben L. Feringa: – Dla mnie za każdym razem było to niesamowite przeżycie. I pamiętam doskonale każde z nich.
Przez wiele lat pracowaliśmy nad przełącznikami i motorami molekularnymi – maleńkimi cząsteczkami, które potrafią poruszać się pod wpływem światła.
Wielkim pytaniem było, czy da się wytworzyć ruch w nanoskali, czyli w wymiarach rzędu jednej miliardowej metra
– porównywalnych z miniaturowymi maszynami działającymi w naszym ciele. I w końcu, po kilku latach, odkryliśmy układ, który faktycznie się poruszał – obracał się jak silnik rotacyjny.
W tym momencie zrozumieliśmy, że mamy do czynienia z przełomem. Cząsteczka, która potrafi się obracać jak śmigło albo prawdziwy silnik, ekstremalnie mała – miliony razy mniejsza niż cokolwiek, co możemy zobaczyć – i napędzana wyłącznie światłem. To był zdecydowanie jeden z największych przełomów w mojej karierze. Drugi przyszedł sześć lat później.
Wbudowaliśmy te silniki w materiał, przymocowaliśmy do nich mikroskopijny szklany pręcik i on zaczął się kręcić. Dosłownie widziałem, jak obiekt się obraca, bez żadnego dotykania, napędzany tylko światłem. Nigdy nie zapomnę tej chwili. To był wtorek, po południu, około kwadrans po piątej, kiedy studenci poprosili mnie do laboratorium. Przygotowali układ, włączyli lampę i system zaczął się obracać.
I zobaczyłem to. Potrafisz to sobie wyobrazić? To był magiczny moment. Przez pięć minut nie byłem w stanie nic powiedzieć.
To są emocje. Nauka to racjonalne myślenie, idee i odkrycia – ale to także ogromne emocje.
Czyli to nie była tylko taka poznawcza ulga, że w końcu się udało?
– Nie, to była euforia. Poczucie: „wow, dokonaliśmy odkrycia – i to naprawdę działa”.
Gdy wnuki pytają, za co dostał Pan Nagrodę Nobla, jak im Pan to tłumaczy?
– To bardzo dobre pytanie. Mówię im, że wszystko, co robimy – mówienie, widzenie, machanie ręką, podnoszenie przedmiotów, chodzenie – jest możliwe dzięki maleńkim silnikom i maszynom w naszych ciałach. Są ich miliardy miliardów.
Kiedy zapytasz małe dziecko, czy coś jest żywe, czy nie, często odpowiada na podstawie ruchu. Jeśli coś się porusza – na przykład mały pająk – to jest żywe. Te maszyny molekularne robią właśnie tę różnicę. Tworzą ruch, a ruch jest jedną z podstawowych cech życia.
To nie jest jeden silnik – to miliony, które pracują razem, a razem stają się bardzo silne. Czasem robię z dziećmi mały eksperyment i tłumaczę im, że gdy wiele silników działa wspólnie i przykładamy siłę, wszystko staje się płynniejsze i mocniejsze. A potem pytają: jak małe one są? Mówię im: wyobraź sobie to, co widzisz, a potem pomniejsz to miliard razy. To jest skala tych maszyn.
Jak narodził się pomysł motorów molekularnych? To była nagła inspiracja, moment natchnienia, który pojawił się znikąd, dajmy na to – pod prysznicem?
– Nie, zupełnie nie. Zaczęło się od przełączników molekularnych.
Pomyśl o przełącznikach w laptopie, smartfonie czy samochodzie – włącz, wyłącz, zero, jeden. Chcieliśmy wykorzystać przełączniki molekularne do zapisu informacji, używając światła zamiast elektryczności.
Zadałem sobie pytanie: gdzie w naturze występują przełączniki molekularne reagujące na światło? W oku. Widzenie opiera się na milionach takich przełączników, które przesyłają informację do mózgu. Zastanawialiśmy się więc, czy da się wykorzystać ten mechanizm zachodzący w oku, do zapisu informacji.
Przełącznik musi działać w obie strony. Gdyby zadziałał tylko raz, zobaczyłbyś coś raz i na tym by się skończyło. Ale po kilku latach zauważyliśmy, że jeden konkretny przełącznik nie wrócił do stanu początkowego – on cały czas obracał się w jednym kierunku.
I wtedy zrozumieliśmy, że jeśli ten obrót odbywa się w zamkniętym cyklu, możemy zbudować motor molekularny. Czyli nie zaczęliśmy od pomysłu zrobienia motoru – zaczęliśmy od przełączania, a z przełączania doszliśmy do ruchu obrotowego.
Jaka jest dziś główna bariera naukowa w tej dziedzinie?
– Jednym z największych wyzwań jest synchronizacja. Wiele zespołów na całym świecie pracuje nad różnymi konstrukcjami motorów, ale sprawienie, by wiele motorów działało razem, jest bardzo trudne.
W mięśniach wiele motorów molekularnych pracuje jednocześnie. Synchronizują się i to właśnie daje siłę. Osiągnięcie takiego poziomu koordynacji w sztucznych systemach wciąż pozostaje nierozwiązanym problemem.
Drugim wyzwaniem jest rozwój motorów napędzanych nie tylko światłem, ale także elektrochemicznie albo chemicznie. Od kilku lat pracujemy nad nanoelektromotorami o rozmiarach rzędu jednej miliardowej metra. Pracujemy też nad układami napędzanymi chemicznie. Na przykład nad autonomicznie poruszającymi się mikroskopowymi obiektami, które jako paliwo wykorzystują cukier.
Cukier?
– Tak, cukier. Na całym świecie badacze zajmują się chemicznymi systemami napędowymi. W naszym ciele biologiczne maszyny białkowe są napędzane paliwem chemicznym. Próbujemy to naśladować.
Jakie zastosowania maszyn molekularnych uważa Pan za najbardziej obiecujące w perspektywie 10 – 20 lat?
– Jednym z głównych obszarów jest medycyna. Prowadzimy duży program wspólnie z wydziałami medycznymi, pracując nad inteligentnymi lekami.
Weźmy chemioterapię. Jest skuteczna, ale powoduje poważne skutki uboczne – wypadanie włosów i wiele innych – ponieważ działa na cały organizm. Gdyby dało się aktywować lek precyzyjnie w miejscu guza, na przykład światłem lub laserem, można by prowadzić terapię idealnie wycelowaną na zniszczenie komórek nowotworowych, bez uszkodzenia reszty organizmu.
Pracujemy nad aktywacją leków dokładnie wtedy i tam, gdzie są potrzebne. Te maleńkie maszyny to umożliwiają. Wyszliśmy już poza eksperymenty na komórkach i zaczynamy badania na tkankach.
Kolejnym ważnym obszarem są materiały samoczyszczące się i samonaprawiające. Niedawno skaleczyłem się w palec. Jeśli utrzymasz ranę w czystości, sama się zagoi. Natura potrafi się naprawiać. Ale gdy porysujesz samochód albo laptopa, potrzebna jest zewnętrzna naprawa. Gdybyśmy potrafili projektować materiały, które same się naprawiają, inspirowane naturą i działające dzięki maszynom molekularnym, byłaby to prawdziwa rewolucja.
Nie trzeba by już myć okien. Nie trzeba by naprawiać rys. To jest marzenie.
Pracujemy też nad sztucznymi mięśniami i miękką robotyką – systemami zbudowanymi z elastycznych materiałów, które potrafią się zginać, kurczyć oraz poruszać się płynnie i naturalnie, podobnie jak żywe organizmy stanowiące dla nich inspirację.
Wspomniał Pan o innych zespołach pracujących nad podobnymi problemami. Na przykład o Pana byłym doktorancie, dr. Wojciechu Danowskim, który dziś pracuje na Uniwersytecie Warszawskim. Co najbardziej interesuje Pana w pracach prowadzonych przez warszawskich chemików?
– Dr Danowski kształcił się w tej dziedzinie zarówno w mojej grupie, jak i w Strasburgu. Doskonale rozumie, jak projektować cząsteczki, budować materiały reagujące na bodźce i jak łączyć przełączniki i maszyny molekularne w złożone układy.
Współpraca z chemikami materiałowymi i fizykami umożliwia prowadzenie prawdziwie interdyscyplinarnych badań. Niedawno opublikowaliśmy wspólną pracę z Wojciechem na temat materiałów porowatych.
To materiały z porami, których rozmiar i dostępność można przełączać na żądanie. Otwiera to zastosowania takie jak wychwytywanie CO₂, oczyszczanie powietrza i wody, konstruowanie membran czy kontrolowane dostarczanie leków – wychwycenie leku, a następnie jego powolne uwalnianie dzięki ruchowi napędzanemu światłem. Najmocniejszą stroną Wojciecha jest właśnie łączenie chemii organicznej, chemii materiałowej i fizyki.
Czytałem abstrakt Pana najnowszego artykułu o fotoizomeryzacji. Czy takie maszyny mogą być użyte do uszkadzania lub niszczenia błon w komórkach nowotworowych?
– Umieściliśmy maszynę molekularną wewnątrz białka, które tworzy por w błonie. Po aktywacji tworzy ona dziurę w błonie komórki nowotworowej i zabija komórkę.
Pracowaliśmy też z kolegami z Instytutu Maxa Plancka w Monachium, wbudowując motory molekularne w błony komórkowe. Gdy się obracają, błona staje się bardziej porowata albo nawet zmienia swoją strukturę.
Badamy, jak można to wykorzystać do podziału komórek albo modyfikowania ich zachowania. To właśnie tego rodzaju problemy badawcze podejmujemy.
Czyli można wyleczyć każdą chorobę?
– Nie, zdecydowanie nie. Ale to są zupełnie nowe podejścia – wykraczające poza tradycyjne dostarczanie leków. Dają możliwość precyzyjnego leczenia, niszczenia konkretnych komórek, takich jak komórki nowotworowe czy bakterie oraz wspierania gojenia i samonaprawy tkanek.
Czy chemia ma jeden fundamentalny, nierozwiązany problem, który można uznać za granicę poznania?
– Jednym z największych wyzwań w chemii jest projektowanie materiałów, które są jednocześnie trwałe i nadają się do recyklingu. Tworzywa sztuczne są wszędzie – w powłokach, farbach, samochodach, samolotach. Samochód w około 50% składa się z plastiku, samolot również.
Potrzebujemy materiałów stabilnych w trakcie użytkowania, ale możliwych do recyklingu wtedy, gdy tego chcemy. Natura potrafi to robić – nasze ciała nieustannie odbudowują się i przetwarzają materię. Nauczenie się, jak to odtworzyć w laboratorium chemicznym, to ogromne wyzwanie.
Głębszym, fundamentalnym pytaniem jest pochodzenie życia. Jak miliardy lat temu cząsteczki połączyły się, tworząc układy zdolne do metabolizmu, replikacji i ruchu?
Zanim pojawiła się ewolucja darwinowska, musiała istnieć ewolucja chemiczna – chemobiogeneza. Z kilku cząsteczek wyłoniły się złożone systemy. Pojedyncza komórka jest niezwykle złożona – bardziej złożona niż całe miasto, takie jak Warszawa.
Ruch jest kluczowy. Nawet bakterie muszą się poruszać, żeby przetrwać. Zrozumienie, jak takie systemy powstały, jest dla mnie najbardziej fundamentalnym pytaniem naukowym.
Jakie przesłanie chciałby Pan przekazać naszym czytelnikom?
– Wierzcie w siłę wiedzy i nauki. Badania podstawowe tworzą fundament przyszłych technologii. Inwestujcie w młodych ludzi. Zadawajcie pytania. Bądźcie kreatywni. Nie traktujcie świata jako czegoś oczywistego.
Siedemdziesiąt lat temu nikt nie wyobrażał sobie smartfonów. Świat może się całkowicie zmienić. Myślcie krytycznie i podążajcie za ciekawością.
