Grote ontdekkingen in de chemie en life sciences gaven mede vorm aan de wereld zoals wij die nu kennen. De toekomst vraagt om nieuwe doorbraken. Ofschoon per definitie arbitrair, selecteerden wij met hulp van de lezers de vijf grootste uitdagingen voor ons kennisgebied.
1 Voedselzekerheid
Bij de productie van voedsel loopt de mensheid bij steeds meer gewassen tegen productieplafonds aan. Veel geschikte landbouwgebieden zijn al intensief in cultuur. Mogelijkheden om irrigatie en bemesting verder te intensiveren, zijn er nauwelijks nog. In grote delen van de wereld raken grond- en smeltwater snel schaars. De snelheid van klimaatverandering vormt een ongekende uitdaging voor de landbouw, die zich de laatste 11.000 jaar ontwikkelde in een relatief stabiel klimaatsysteem.
De wereldbevolking blijft groeien. Meer mensen met hogere inkomens gaan per hoofd meer voedsel consumeren. Om te voorkomen dat het aantal mensen dat verhongert nog harder toeneemt, staat de landbouw voor de opgave om snel meer veilig en gezond voedsel te produceren met minder grondstoffen en minder nadelige effecten voor maatschappij en leefomgeving.
Brede toepassing van moderne biotechnologie lijkt veelbelovend bij de veredeling van efficiëntere, productievere en bijvoorbeeld beter droogtetolerante voedingsgewassen met gezonde inhoudsstoffen. Eventuele nadelige gevolgen voor mens en milieu moeten dan wel aantoonbaar goed beheerst zijn. Life scientists en chemici dienen de veiligheid van het geproduceerde voedsel en de duurzame winning en concentratie van gezondheidsbevorderende voedingsstoffen te monitoren.
2 Schoon water
Hergebruik van afvalwater biedt een duurzame oplossing voor watertekorten in gebieden en sectoren met een grote watervraag. Om afvalwater schoon te maken, is omgekeerde osmose cruciaal. Ontwikkelingen op het gebied van membraan- en procestechnologie zijn nodig om de energieconsumptie, membraanvervuiling, integriteit van membranen, concentraatafvoer en -nabehandeling en terugwinning van nutriënten bij dit proces te verbeteren.
Dunnefilm-composietmembraan voor omgekeerde osmose kan verbeteren door nanotechnologie toe te passen met eiwitkanalen (aquaporines), carbon nanotubes, grafeenoxide of zelforganiserende polymeren. Met ultradunne scheidingslagen en geavanceerde oppervlakte-coatings zijn verontreinigingen met kleine polaire stoffen beter tegen te houden.
Verdere ontwikkeling van microbiologische kennis blijft van belang om verspreiding van schadelijke micro-organismes in de circulaire watersystemen van de toekomst te blijven beheersen. De reeds veelvuldig toegepaste biologische (voor)zuivering van afvalwater blijft door de milde procesomstandigheden, lage bedrijfskosten, goede betrouwbaarheid en stabiliteit en goede inpasbaarheid in duurzame productiemethodes ook in de toekomst een belangrijke component van afvalwaterzuivering. Aanpassingen aan omstandigheden en micro-organismes voor bijvoorbeeld het biologische proces van anaerobe ammoniumoxidatie (anammox), kan dit proces breder geschikt maken voor reguliere stikstofverwijdering bij afvalwaterzuivering.
3 Duurzame energie uit de zon
De energie van de zon die de aarde bereikt, is meer dan genoeg om de wereld duurzaam van energie te voorzien. De mensheid is echter nog niet heel succesvol in zonlicht schoon omzetten in elektriciteit en brandstof.
Zonnecellen dragen inmiddels zichtbaar enkele procenten bij aan de menselijke elektriciteitsproductie. Toch benutten huidige zonnecellen slechts een klein deel van de ontvangen zonne-energie. Het blijft een grote uitdaging voor chemici en materiaalwetenschappers om zonnecellen te ontwikkelen op basis van nieuwe (nano)materialen die – liefst op duurzame en betaalbare wijze – omzetting met een hogere efficiëntie mogelijk maken.
Chemici spelen een belangrijke rol bij de opzetten van een synthetische vorm van fotosynthese, door de ontwikkeling van biosolar cells. Gebonden CO2 met behulp van zonlicht omzetten in vloeibare brandstoffen blijft een uitdaging. Life scientists kunnen bijdragen door fotosynthetiserende organismes slim en efficiënt in te zetten. Die gaan ze ook gebruiken om platformchemicaliën te produceren, de uitgangsstoffen voor de chemische syntheses van de toekomst.
4 Duurzame productie op basis van herwinbare grondstoffen
De chemie hielp de mensheid zich de laatste eeuw te omringen met een welvaart aan petrochemische en geavanceerde metalen producten, uit fossiele grondstoffen en ten koste van veel energie uit fossiele brandstoffen. Al decennia zet de chemische industrie in op het energie- en waterzuiniger maken en vergroenen van productieprocessen met behulp van bijvoorbeeld klikchemie en drogestofchemie. Ook zoekt ze naar hernieuwbare grondstoffen voor kunststofproductie.
De werkelijke uitdaging ligt echter in het duurzaam wegwerken van de plastics, stikstofverbindingen en vele andere vormen van moeilijk verwijderbaar industrieel afval dat de mensheid de afgelopen eeuw overal in bodem, lucht en water heeft verspreid. En in het zodanig sluiten van grondstofkringlopen dat zulk afval in de toekomst niet meer of veel minder ontstaat.
Hulp kan komen door biochemische en microbiologische kennis over de kringlopen van belangrijke natuurlijke grondstoffen te combineren. Het eerste in alle aspecten goede voorbeeld van duurzame chemische kringloopproductie lijkt zich tot op heden nog niet af te tekenen. Daar ligt een forse uitdaging.
5 Preventie en bestrijding van infectieziektes
De coronacrisis heeft pijnlijk zichtbaar gemaakt hoe de mensheid ondanks decennia van medische en technologische vooruitgang nog altijd worstelt met het effectief adresseren van uitbraken van infectieziektes. Snel en veilig monitoren van ziekteverspreiding, doorgronden en adequaat behandelen van nieuw opkomende ziektes, en een snelle ontwikkeling van veilige geneesmiddelen en vaccins blijken enorme maatschappelijke, medische en wetenschappelijke uitdagingen.
Er ligt dan ook volop werk voor virologen, microbiologen, analytici, datawetenschappers, medici, farmaceuten en talloze andere life scientists wereldwijd. Dat is niet enkel gericht op het coronavirus, maar ook op andere reeds rondwarende en nieuwe virussen en op infecties met bacteriën en andere micro-organismes die zich met de huidige geneesmiddelen steeds moeilijker laten bestrijden. Nieuwe analysemethodes, mede gebaseerd op organs on chips, lijken nodig om werkingsmechanismes van ziekteverwekkers en potentiële bestrijdingsmethodes snel en adequaat op te helderen.
Voor die uitdaging lijken al veel van de wetenschappelijke, biomedische en bedrijfsmatige benodigdheden in principe voorhanden. Een wereldwijde inspanning om alles samen te brengen en de wereld beter te beschermen tegen infectieziektes lijkt vooral een kwestie van tijd en politieke wil.
Met dank aan de KNCV, de KVCV en de lezers die ons via social media en e-mail tipten.
6 Andere in het oog springende uitdagingen
Gepersonaliseerde medicatie: de ontwikkeling van gepersonaliseerde medicatie is na de bestrijding van infectieziektes wellicht de grootste medische uitdaging in de life sciences. Van steeds meer kwalen en steeds meer mensen is gedetailleerde genetische informatie beschikbaar. Die goed en veilig inzetten bij de ontwikkeling van geneesmiddelen op individueel of zelfs celniveau, tegen bepaalde types kanker of stofwisselingsziektes, kan zeer geavanceerde, kostbare behandelmethodes als gentherapie trefzeker en zo toch betaalbaar beschikbaar maken.
Zelfherstellende materialen: om materialen lang mee te doen gaan, kun je ze steeds sterker ontwerpen. Je kunt ook, zoals de natuur doet, proberen materialen te ontwikkelen die schade of verval zelf herstellen.
Klimaat doorgronden: dat het klimaat verandert is een feit. Toch kunnen (bio)chemici de klimaatwetenschap een goede dienst bewijzen door diverse onopgehelderde effecten en modellen chemisch te helpen doorgronden en zo aan te vullen of te verbeteren.
Complexe, levende materie begrijpen: beter begrip van het spontane gedrag van complexe en levende materie en biochemische reacties in levende cellen, kan leiden tot het ontwerpen van nieuwe materialen op atomaire schaal, zelfassemblerende moleculen, het voorspellen van chemische reactiviteit in complexe systemen en zelfs tot de vorming van synthetische cellen.
Nog geen opmerkingen