Ingenieurs en biowetenschappers proberen met man en macht zelf een werkende cel te maken. Om te begrijpen wat leven nu eigenlijk is én omdat synthetische cellen waarschijnlijk allerlei nuttige toepassingen hebben. Maar gemakkelijk is het niet. Een cel schroef je niet zomaar in elkaar.
Baf! Met een welgemikte zwiep van de vliegenmepper is die irritante bromvlieg uitgeschakeld. Daar hebben we geen last meer van. Maar meteen begint een schuldgevoel te knagen. Daarnet leefde het beestje nog, trippelde het – knappe prestatie! – zijwaarts hangend over de ruit. Nu ligt het levenloos in de vensterbank. In de vlieg zitten nog dezelfde onderdelen, weefsels en materialen, maar toch weten we zeker dat hij nooit meer door de kamer zal vliegen. Iets is weg. Maar wat ís dat iets; wat ís leven?
Een paar micrometer lang
Op die vraag proberen Nederlandse wetenschappers een antwoord te vinden. Sinds vorig jaar loopt het project BaSyC, Building a Synthetic Cell. Daarin werken onderzoekers van de Vrije Universiteit Amsterdam, de TU Delft, de Rijksuniversiteit Groningen, de Radboud Universiteit Nijmegen, Wageningen UR en onderzoeksinstituut AMOLF samen om een eenvoudige bacterieachtige cel van een paar micrometer lang in elkaar te sleutelen. Deze cel moet zichzelf een tijdje in leven kunnen houden, goed functioneren en zich delen.
In Nederland lopen we mee voorop in dit vakgebied, maar ook in onder meer Duitsland en de Verenigde Staten proberen wetenschappers en bio-ingenieurs levende cellen in elkaar te zetten. Daarmee volgen ze allemaal een veelgeciteerde uitspraak van de beroemde natuurkundige Richard Feynman: ‘Ik begrijp iets pas echt als ik het kan bouwen.’
Geen handleiding
Een ingenieur die iets nieuws gaat bouwen, zal eerst een pakket van eisen opstellen, dan de machine ontwerpen, vervolgens de afzonderlijke onderdelen identificeren, die tekenen en vervaardigen, en ten slotte het hele bouwpakket in elkaar schroeven. Lijkt dat een beetje op hoe men binnen BaSyC een cel wil maken?
Ja en nee. Natuurlijk gaan de onderzoekers systematisch en analytisch te werk. Maar een levende cel is veel meer dan een machine. ‘Bij het bouwen van een machine heb je een klassiek ingenieursprobleem. Als het bouwen van een synthetische cel klassiek ingenieurswerk was, hadden we het al lang gedaan’, vertelt de Nijmeegse chemicus prof.dr. Wilhelm Huck, die zich voor BaSyC richt op de chemische netwerken in de cel. ‘We kennen kennen weliswaar de onderdelen die de cel moet hebben en wat die op zichzelf doen, maar we hebben geen handleiding die ons vertelt hoe we de cel in elkaar moeten zetten. We begrijpen van een levende cel uit de natuur nog niet waardóór die leeft.’
Mechanische machine
Foto Rafael Philippen / NWO
‘We weten in elk geval zeker dat een cel niet alleen maar een mechánische machine is’, zegt BaSyC-onderzoeksleider prof.dr. Marileen Dogterom, hoogleraar bionanoscience aan de TU Delft. ‘Daarnaast vinden er chemische processen plaats; de gewone chemische reacties, maar ook processen van zelforganisatie.’ Denk aan membranen die schijnbaar als vanzelf ontstaan en eiwitdraden die de cel insnoeren tijdens de celdeling. Bovendien is een cel uit de natuur verbazingwekkend stabiel, zegt Dogterom. ‘Hij is enorm robuust en zelfcorrigerend.’
Zelfs het bouwen van een relatief eenvoudige cel is daarom enorm ingewikkeld. ‘Moeilijker dan het bouwen van een Boeing 747, zeg ik weleens tegen mijn studenten’, vertelt de Groningse biochemicus prof. dr. Bert Poolman. ‘Zo’n vliegtuig heeft 6 miljoen onderdelen, een Escherichia coli-bacterie een paar miljoen eiwitten. Dat is dan vergelijkbaar, zou je zeggen. Maar in zo’n eencellige zijn alle componenten – van losse moleculen tot eiwitten, draden en blaasjes – dynamisch. Ze verplaatsen zich en werken op elkaar in. Deze dynamiek snappen we echt nog niet goed. Om bij de analogie van het vliegtuig te blijven: bij ons valt er steeds een vleugel af als we iets net niet helemaal goed doen.’
Evolutie
Het is ook ergens wel logisch dat wetenschappers grote moeite hebben om zelfs maar een onderdeeltje van een cel te bouwen. De natuur heeft hier al miljarden jaren mee kunnen experimenteren: er traden allerlei willekeurige mutaties op en er hebben waarschijnlijk miljoenen soorten en varianten van cellen bestaan. Daarbij verloren de onhandige of slecht werkende systemen het van betere cellen en onderdelen. Zo zijn gaandeweg de cellen overgebleven die helemaal zijn afgestemd om optimaal te functioneren onder bepaalde omstandigheden.
De BaSyC-wetenschappers hebben echter aanzienlijk minder tijd tot hun beschikking dan de natuur. Poolman: ‘Wij willen het graag zo snel mogelijk goed hebben. We gaan dan ook binnen BaSyC een relatief eenvoudige cel bouwen. Zeg maar een soort T-Ford, de allersimpelste uitvoering van een auto.’ Daarbij staat één ding wel vast. Als je alle losse onderdelen voor een werkende cel zou hebben en je zou die bij elkaar stoppen, dan is de kans dat je een levende cel krijgt nihil. Binnen het project BaSyC gaan de onderzoekers de verschillende modules waar ze aan werken dan ook niet in één keer samenvoegen. In plaats daarvan proberen ze steeds een simpele module werkend te krijgen. Die maken ze vervolgens stapje voor stapje iets uitgebreider.
Openingsillustratie Mieke Roth
Het volledige verhaal over het bouwen van een cel lezen?
Wil je het volledige verhaal lezen over het in elkaar zetten van een kunstmatige cel in het januarinummer van De Ingenieur? Koop dan de digitale versie voor € 7,50, of neem - met een flinke korting van 25 %! - een digitaal jaarabonnement van 12 nummers voor € 69,-.
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.