Meike Bos onderzocht hoe longen slijm vervoeren met hulp van natuurkundige berekeningen

Natuurkunde toepassen om ingewikkelde biologische processen beter te begrijpen: Meike Bos deed het in haar promotieonderzoek. Ze onderzocht met computermodellen hoe trilhaarcellen in de luchtwegen bewegen om te zorgen dat slijm weggevoerd kan worden en promoveerde op 29 mei op dit onderwerp. “Het liefst pas ik natuurkunde toe op de echte wereld.”

Slijm is misschien niet het meest glamoureuze onderwerp, maar het speelt wél een cruciale rol in de gezondheid van de mens. Dit goedje vangt namelijk stofdeeltjes, bacteriën en andere ongewenste indringers op, zodat ze niet diep in de longen terechtkomen. Maar hoe zorgt het lichaam er vervolgens voor dat slijm goed wordt afgevoerd?

Volgens Meike is het antwoord op die vraag moeilijker te ontrafelen dan je zou denken. “Biologie is supercomplex: als je echt alle factoren die een rol spelen mee wil nemen, kun je dit soort biologische fenomenen vrijwel niet verklaren.”  Daarom probeert Meike aan de hand van de belangrijkste ingrediënten van zo’n fenomeen te verklaren wat er gebeurt. Hier gebruikt ze computersimulaties – versimpelde modellen van de werkelijkheid – voor.

Schoonmaken

De luchtwegen van alle dieren zijn bedekt met cellen waar trilhaartjes op zitten. Deze trilhaartjes bewegen en vervoeren een dun laagje vloeistof. Bij grote zoogdieren, zoals mensen, bevat die vloeistoflaag slijmstrengen die gevaarlijke deeltjes, zoals bacteriën en pollen, vangen en afvoeren.  Slijmstrengen worden in kleine klieren gemaakt, en komen dan aan het oppervlak van de vloeistoflaag terecht. Daar bewegen ze vervolgens eerst met de stroom mee, maar op een gegeven moment draaien ze negentig graden om. “Dat is best handig: als je iets wil schoonmaken, ga je met de bezem ook loodrecht en niet in de richting van het vuil mee”, illustreert Meike.

Regels in de natuurkunde

“Als je kijkt naar natuurkundige wetten, kunnen deze strengen eigenlijk niet zomaar omdraaien.” Ze laat haar gedrukte proefschrift vol met natuurkundige formules zien. “Volgens de regels van de natuurkunde blijft een langwerpig object in een stroming rechtdoor gaan”, legt de promovenda uit. “Als je een draad vasthebt aan één kant in stromend water, beweegt de draad mee met de richting van de stroom. Net als in de wind.”

Wanneer je enkel naar het gedrag van de slijmstrengen kijkt, lijken ze dus niet te luisteren naar de wetten van de natuurkunde. Ze draaien namelijk tegen de stroming in. Dat betekent volgens Meike niet dat de natuurkunde niet klopt, maar dat er nog iets anders aan de hand moet zijn. Met haar computersimulatie onderzocht ze of kleine, andere plakkerige deeltjes in de longen effect hebben op de lange, draaiende slijmstrengen. Zo ontdekte ze dat deze kleinere slijmdruppeltjes vast kunnen plakken aan de langere slijmstrengen, en op die manier de draaiing, de vorm én de snelheid van de lange slijmstrengen verklaren.

Slijm simuleren

Het liefst zou je natuurlijk direct in de longen van mensen en andere zoogdieren kijken en onderzoeken hoe dit soort fenomenen in elkaar zitten, maar helaas kan dat nog niet. Meike legt uit waarom simulaties daarom zo handig zijn. “Simulaties helpen je om een over een systeem na te denken en dingen te testen,” legt ze uit. Computersimulaties liggen op het grensvlak tussen theorie en praktijk. “Wanneer je je theorie niet verder kunt uitwerpen met pen en papier, ga je over op computersimulaties. Maar ook wanneer je je experiment beter wil begrijpen, kun je daar computersimulaties voor inzetten.”

Het liefst pas ik natuurkunde toe op de echte wereld