Wat klevende zeedieren ons kunnen leren over het maken van lijm

Wat als we de kleefkrachten van zeedieren zoals mosselen, oesters en zeepokken konden gebruiken, die zelfs op natte, stormachtige kusten muurvast blijven zitten? Duik met wetenschapper Jonathan Wilker in de wondere wereld van dieren die hun eigen lijm maken -- en zie een voorproefje van de verbazingwekkende dingen die we kunnen leren van hoe ze het doen.

Ik neem jullie mee op excursie

naar het strand

om te genieten van de zoute zeelucht.

We gaan het water in

en je voelt je heen en weer
geduwd door de golven

waardoor je moeilijk
op je plaats kan blijven.

Maar kijk nu naar beneden

en je ziet

dat de rotsen bedekt zijn
met allerlei zeedieren

die zonder problemen blijven zitten.

En het blijkt dat als je

in deze moeilijke omgeving wil overleven,

je bestaan eigenlijk afhankelijk is
van hoe goed je lijm kan maken.

Ik stel jullie enkele helden
van ons verhaal voor.

Enkele.

Dit zijn mosselen

en je ziet dat ze de rotsen bedekken.

Ze maken lijmen

waardoor ze aan de rotsen kleven

en ook aan elkaar.

Ze vormen dus samen een groep.

Dit is een close-up van een oesterrif.

En oesters, die zijn geweldig.

Ze lijmen zich aan elkaar

en bouwen daardoor enorme,
uitgestrekte rifsystemen.

Die kunnen kilometers lang
en meters diep zijn

en hebben misschien wel
de meest dominante invloed

op de gezondheid van mariene
ecosystemen aan de kust.

Ze filteren het water voortdurend

en fixeren zo zand en vuil.

In feite leven andere soorten
binnen deze riffen.

Als je bedenkt over wat er gebeurt
als het gaat stormen,

als de stormvloed eerst
kilometers riffen moet overbruggen,

zal de kust erachter beschermd worden.

Dus hun invloed is behoorlijk groot.

Als je ooit ergens ter wereld
op een rotsachtig strand bent geweest,

weet je waarschijnlijk
hoe zeepokken eruitzien.

Deze dieren --

en er zijn vele anderen,
dit zijn er slechts drie --

ze maken lijmen,

ze kleven aan elkaar en aan de rotsen

en bouwen gemeenschappen

waardoor hun overlevingskansen
een stuk beter worden.

Eén ervan is dat elk individu
minder last heeft van turbulentie

en andere schadelijke eigenschappen
van die omgeving.

Dus hurken ze allemaal bij elkaar.

Er is ook veiligheid door het aantal

omdat het de roofdieren weghoudt.

Want bijvoorbeeld een meeuw
kan je moeilijker opeten,

als je met z'n allen aan elkaar plakt.

Het helpt ook bij
de reproductieve efficiëntie.

Je kunt je voorstellen dat wanneer
meneer en mevrouw Zeepok beslissen:

"Oké, het is tijd
voor wat babyzeepokken." --

Ik vertel niet hoe dat gaat --

maar wanneer zij ertoe besluiten,

dan is het een stuk eenvoudiger
en hun reproductieve rendement hoger

als ze allemaal dicht bij elkaar leven.

We willen begrijpen hoe ze dit doen,
hoe ze blijven kleven.

Ik zal niet in detail treden,

want het is iets dat we
nog proberen uit te vissen.

Maar ik geef jullie een voorproefje

van een aantal dingen die we uitproberen.

Dit is een foto van één
van de aquaria in ons lab.

Alles op de foto
maakt deel uit van het systeem.

In de glazen bak zie je op de bodem
een hoopje mosselen,

het water koelen we,
de lichten imiteren dag en nacht,

er is turbulentie in het systeem

omdat de dieren meer lijm maken

als het water turbulent is.

We zetten ze aan om lijm te maken,
die we verzamelen en bestuderen.

Hier zijn ze in Indiana.

Voor zover zij weten,
zijn ze in Maine in februari

en ze lijken erg gelukkig
voor zover we kunnen nagaan.

We werken ook met oesters.

Bovenaan zie je een foto
van een klein rif in South Carolina.

Het meest geïnteresseerd zijn we
in hoe ze zich aan elkaar te bevestigen,

hoe ze aansluiten.

In de onderste afbeelding zie je

dat twee oesters
zich aan elkaar lijmen.

Wij willen weten wat ertussen zit.

en af en toe knippen we ze
van elkaar en kijken ernaar.

Op de volgende reeks beelden

zie je onderaan twee schelpen,

de schelp van één dier
en de schelp van een ander

met het cement ertussen.

Als je kijkt
naar de afbeelding rechts,

zie je misschien de structuur
in de schelp van elk dier,

maar dan ziet de cement
er eigenlijk anders uit.

Dus gebruiken we allerlei
knappe biologie- en chemietechnieken

om te begrijpen wat
er daar aan de hand is.

We vinden verschillende structuren

en de chemie varieert,
wat heel interessant is.

En dan dit beeld --

Even een stapje terug
voordat ik jullie vertel wat het is.

Ken je de cartoon ‘The Magic School Bus’?

Of als je wat ouder bent
‘Fantastic Voyage’, toch?

Weet je nog, met die personnages

die ze lieten krimpen
tot op microscopisch niveau,

en die dan rondzwierven

en rondzwommen tussen al
die biologische structuren?

Zo bekijk ik het, maar nu is het echt.

We namen twee
aan elkaar geplakte oesters.

Dit stukje was opgevuld met lijm

en we vonden dat die lijm veel
verschillende componenten bevatte,

maar in grote lijnen zijn er harde,
niet-plakkende delen

en zachte, plakkende delen.

We verwijderden selectief
de niet-plakkende delen

om te zien wat er overbleef
dat de dieren echt bij elkaar hield.

We kregen dit en zien dan
deze kleverige lijm

die hen bij elkaar houdt.

Ik hou van deze afbeelding,

want je kunt je voorstellen
dat je erin rondzwemt.

Hoe dan ook zijn dat enkele dingen
die we doen om te begrijpen

hoe mariene biologie
deze materialen aanmaakt.

In fundamenteel perspectief
is het echt spannend om dit te begrijpen.

Maar wat willen we doen
met deze informatie?

Er zijn een hoop
technologische toepassingen

als we kunnen benutten
wat deze dieren doen.

Ik geef een voorbeeld.

Je breekt thuis je favoriete beeldje

of mok of iets dergelijks?

Je wil het repareren.

Waar ga je heen?

Naar mijn favoriete plek in de stad,

het gangpad met lijmen in de bouwmarkt.

Ik weet waar jullie
je nachten doorbrengen,

want jullie zijn hippe, coole
mensen, omdat jullie hier zijn,

jullie gaan naar de bars en concerten --

maar daar hang ik elke avond rond.

Nu moet je één exemplaar

van elke lijm op dat rek meenemen,

maar voordat je probeert om de dingen
weer in elkaar te zetten,

wil ik dat je het uittest
in een emmer water.

Dat gaat niet, hé?
Dat weten we allemaal.

De mariene biologie heeft dit
duidelijk opgelost,

dus moeten we erachter zien te komen
hoe we dat zelf kunnen nabootsen.

Een van de problemen is

dat je niet zomaar wat materiaal
van het strand kan halen,

want als je een bos mosselen
probeert te melken voor wat lijm,

krijg je wel wat materiaal,

maar nooit genoeg
om er iets mee te doen --

net genoeg om het te bekijken.

We moeten dit opschalen,

liefst tot de schaal
van een treinwagon of zo.

Bovenaan zie je één
van de types moleculen

die de dieren gebruiken
om hun lijm te maken.

Het zijn zeer lange moleculen,
ze heten eiwitten.

Die eiwitten hebben vrij unieke onderdelen

die de kleverigheid veroorzaken.

Wij willen fragmenten met die chemie

inbouwen in andere lange moleculen,

maar dan op grote schaal.

Je kent ze wellicht als
kunststoffen of polymeren.

We doen het op een eenvoudiger
manier dan zij,

maar bouwen die kleefchemie in
in die grote moleculen.

Daarmee hebben we veel
verschillende lijmsoorten ontwikkeld,

en als je een nieuwe,
geschikte lijm maakte,

wat doe je dan?

Je rent rond in het lab
om allerlei dingen aan elkaar te plakken.

Hier lijmden we
twee stukken metaal aan elkaar.

We wilden er iets aan hangen om te testen

en daarvoor gebruikten we
een pot levende mosselen.

En vonden onszelf erg slim.

(Lacht)

Natuurlijk werken we meestal
veel kwantitatiever

en vergelijken we met commerciële lijmen.

We hebben nu ook al materialen
die sterker zijn dan superlijm.

Dat vind ik echt cool.

Een goede dag in het lab:
sterker dan superlijm.

Nog iets anders dat we kunnen.

Dit is een tank met zeewater.

In die spuit zit één van
onze hechtmiddelformuleringen.

We spuiten het, helemaal onder water,

op een stuk metaal.

We willen een lijmverbinding,

dus nemen we een ander stuk metaal,

leggen het er passend op.

Je wil de lijm wat laten opstijven;

we zetten er een gewicht op,
niets bijzonders.

Een buisje met loodhagel,
niets bijzonders.

Laat het een tijdje staan.

Dit heeft nooit lucht gezien.
Het is volledig onder water.

En dan pak je het op.

Ik weet nooit wat er gaat gebeuren.

Altijd weer spannend.

Pak het op ...

en het zit vast.

Voor mij is dat echt cool.

We krijgen zelfs onder water
een zeer sterke hechting.

Mogelijk is dit de sterkste

of ten minste één van de sterkste
onderwaterlijmen ooit.

Het is zelfs sterker dan
de materialen die de dieren produceren.

Voor ons behoorlijk spannend.
Best cool.

Wat willen we nu van deze dingen?

Hier zijn een aantal producten
waar je wel vertrouwd mee zal zijn.

Denk aan je mobiele telefoon, laptop,
multiplex in de meeste constructies,

het interieur van je auto, schoenen,
telefoonboeken, dat soort dingen.

Ze worden bij elkaar gehouden met lijm,

en er zijn twee grote problemen

met de lijm in die materialen.

Ten eerste dat ze giftig zijn.

De ergste dader hier is multiplex.

Multiplex, veel meubilair
of houten laminaatvloeren --

een belangrijke component
van de lijm is formaldehyde;

misschien hoorde je er al van.

Het is een kankerverwekkend gas

en we bouwen een heleboel
structuren met deze lijmen,

en ademen daardoor
veel kankerverwekkende stof in.

Duidelijk slecht, toch?

Het andere probleem is
dat deze lijmen blijvend zijn.

Wat doe je met je schoenen,
je auto of zelfs je laptop

als je ze afdankt?

Voor het grootste deel
eindigen ze op stortplaatsen.

Er zitten veel kostbare materialen in

die we graag zouden herwinnen en recyclen.

Niet zo gemakkelijk

omdat alles permanent
aan elkaar is gelijmd.

Dus hiermee proberen we
enkele van deze problemen op te lossen.

We gingen uit van een ander lang molecuul

verkregen uit maïs.

In dat molecuul bouwden we

wat kleefchemie van mosselen in.

Omdat we het verkregen
van maïs en mosselen,

noemen we dit
ons ‘surf-en-turf’-polymeer.

En het plakt.
Het plakt echt goed.

Het is erg sterk

en ook biologisch.
Mooi meegenomen.

Maar misschien nog belangrijker is
dat het ook afbreekbaar is.

We kunnen het afbreken onder zeer
milde omstandigheden, met water.

Dat geeft ons de mogelijkheid

om het zo sterk te binden als we willen,

maar daarna kunnen we het
ook weer uit elkaar halen.

Goed om aan te denken.

En hier willen wij naartoe.

Nou eigenlijk, in dit specifieke geval,
gaan we hier liever niet naartoe,

maar we zouden dit graag willen vervangen.

Dus hechtingen, nietjes, schroeven:

zo zetten we je weer in elkaar
na een operatie of een blessure.

Bepaald geen pretje.
Het doet pijn.

In het geval van de hechtingen:
kijk naar hoeveel geconcentreerde,

mechanische spanningen je veroorzaakt
als je dingen samentrekt.

Je maakt broedplaatsen voor infectie.

Je prikt gaatjes in gezond weefsel.
Echt niet zo goed.

Of als je je botten met een plaat
bij elkaar wilt houden,

kijk dan hoeveel gezond bot
je moet uitboren

alleen maar om die plaat te bevestigen.

Echt niet leuk.

Voor mij lijkt dit bedacht
in een middeleeuwse martelkamer,

maar zo werkt onze moderne chirurgie.

Het zou leuk zijn als we die systemen
door lijm zouden kunnen vervangen.

We werken eraan,
maar het is niet gemakkelijk.

Bedenk wat voor soort kleefstoffen
je hiervoor nodig zou hebben.

In de eerste plaats
moet je een lijm hebben

die hecht in een vochtige omgeving.

Dat gekke kleine plaatje daar

illustreert dat onze lichamen
voor ongeveer 60% uit water bestaan,

dus is het een vochtige omgeving.

Het illustreert ook dat ik
wetenschapper en geen kunstenaar ben.

Ik heb mijn roeping
helemaal niet gemist.

Andere vereisten voor
een goede biomedische lijm zijn:

hij moet natuurlijk sterk hechten

en niet giftig zijn.

Onschadelijk voor de patiënt.

Twee van die vereisten in één materiaal
krijgen, is vrij eenvoudig.

Het is al vele malen gedaan.

Maar met alle drie
is het nog nooit gelukt.

Dat is heel moeilijk.

Als je praat met chirurgen,
worden ze kieskeurig --

"Oh, eigenlijk wil ik dat de lijm
zich al hecht tijdens de operatie."

Of: "Oh, ik wil dat de lijm afbreekt

zodat de weefsels van de patiënt
hun vorm herstellen."

Dat is echt moeilijk.
We zijn er mee bezig.

Dit is slechts één foto ervan.

We hebben allerlei botten en huid

en zacht en hard weefsel,
en soms slaan we er met een hamer op.

Meestal snijden we het
tot precieze vormen.

Dan lijmen we ze weer aan elkaar.

We kregen interessante resultaten,
een aantal sterke materialen,

die niet giftig lijken te zijn,

die zich nat hechten,

maar ik ga jullie niet vertellen dat we
het natte-hechtingprobleem oplosten,

want dat is niet zo.

Maar we hebben het zeker
in het vizier voor de toekomst.

Daar zouden we graag zien
dat de dingen verder geraken.

Ook voor andere toepassingen
kun je je voorstellen

dat we beter af zouden zijn

als we daar meer lijmen voor hadden.

Zelfs voor cosmetica.

Wat denk je dat mensen gebruiken

om valse nagels
of valse wimpers te plakken?

Op dit moment zeer giftige lijm.

Dus gewoon rijp voor vervanging.

Dat is iets wat we willen doen.

Er zijn ook andere zaken.

Denk aan auto's en vliegtuigen.

Hoe lichter je ze kan maken,

hoe brandstofzuiniger ze worden.

Als we klinknagels of lassen

zouden kunnen vervangen door lijmen,

zou dat goed zijn

voor ons toekomstige vervoer.

Dit breng ons weer terug naar het strand.

We kijken rond en vragen ons af:
"Hoe blijven die zeedieren plakken?

En wat kunnen we doen
met die technologie?"

Ik zou zeggen dat we echt
nog een heleboel kunnen leren

van de biologie en de natuur.

Ik zou jullie willen aanmoedigen om

jullie niet-recyclebare laptops
en mobiele telefoons opzij te leggen

en de natuurlijke wereld te gaan verkennen

en je eigen vragen beginnen te stellen.

Heel erg bedankt.

(Applaus)