Bloemvormige E. coli’s ten bewijze van Turings gelijk (afb: Ricard Colé)

Het leven is een ingewikkeld en groot mysterie. Onderzoekers van de Pompeu Fabra-universiteit in Barcelona hebben synthetische biologie te hulp geroepen om uit te vinden waardoor een uniforme celklontering als bij een vroege embryo de cellen zich gaan onderscheiden. Met die methode zouden ze allerlei levensprocessen kunnen reproduceren waarbij structuren gecreëerd worden, van termietennesten en honingraten tot aan embryo’s.
Richard Feynman, een van ’s werelds grootste natuurkundigen, zou gezegd hebben dat als hij iets niet kon maken, hij dat (iets) niet begreep. Het is misschien niet verwonderlijk dat veel natuur- en wiskundigen naar biologische processen hebben gekeken om er achter te komen welke ingrediënten je minimaal nodig hebt om die te creëren.
Zo heeft de bijster slimme wiskundige Alan Turing in 1952 aangetoond dat het mogelijk is te verklaren waardoor een volledig homogeen weefsel kan uitgroeien tot een complexe embryo. Hij deed dat met behulp van eenvoudige edoch elegante wiskundige modellen. Daar kwam, onder meer, uit dat de symmetrie van een cel of een weefsel kan verdwijnen onder invloed van bepaalde omstandigheden.
Turing is nooit in staat geweest zijn ideeën te toetsen en dat heeft alles bij elkaar zo’n 70 geduurd alvorens ontwikkelingen in de biologie dat mogelijk hebben gemaakt. Kan Turings droom waargemaakt worden door het voorstel van Feynman? Genetische technieken zouden dat (nu) hebben bewezen.

E. coli-bacteriën

De onderzoekers van het instituut voor evolutionaire biologie van de genoemde universiteit hebben zich daartoe gewend tot de synthetische biologie, de tak van wetenschap die biologie in het lab maakt. Door delen van genen van andere soorten in een E. colicel te brengen werd een proces in gang gezet dat leidde tot tot ruimtelijke patronen die eigen zijn aan ingewikkelder soort dan een eenvoudige bacterie. Normaal ontwikkelt zo’n E. coli zich als hagelslagkorrel, een rond staafje met afgeronde uiteinden. Met die vreemde stukjes gen erbij kreeg de bacterie een vorm als een bloem met een soort bloemblaadjes op regelmatige afstanden, zoals Turing had voorspeld.

Symmetriedoorbraak

“We wilden de symmetrie doorbreken in iets bereiken dat nog nooit is gezien in een E. colikolonie”, zegt Salva Duran-Nebreda, “maar wel bij dieren. Vervolgens zouden we moeten uitvinden welke wezenlijke ingrediënten je daarvoor nodig hebt.” Met behulp (dus) van de synbiologie waren de onderzoekers in staat de ‘knoppen’ te vinden waaraan ze moesten ‘draaien’ om hun bloempatronen te verwezenlijken.
Duran-Nebreda: “Als we drie ingrediënten varieerden konden we de symmetrie doorbreken. In feite hebben we de celdeling veranderd, de adhesie tussen de cellen en de communicatie over langere afstand, dat wil zeggen gezien wanneer er een gezamenlijke beslissing is.”

De onderzoekers denken dat ze de waarnemingen bij de bacteriën ook kunnen doe bij ingewikkelder organismen of bij de ontwerpprincipes van insecten zoals mieren en bijen. “Zoals kweekorgaantjes ons kunnen helpen therapieën te ontwikkelen zonder dierproeven te hoeven doen, kan dit synthetische systeem ons helpen zaken zoals de embryonale ontwikkeling te begrijpen op een veel eenvoudiger manier dan in vitro-onderzoek”, zegt medeonderzoeker Ricard Colé.

Eerste synbio-model

Het model dat in dit onderzoek is ontwikkeld zou het eerste in zijn soort zijn. Duran-Nebreda: “We moeten dit zien als een platform om te leren verschillende fundamentele biologische mechanismen te ontwerpen waarmee structuren gemaakt worden, zoals de stap van een zygoot (begin embryo-ontwikkeling; as) naar een volledig organisme. Daarbij kan kennis over het raakgebied van mechanische en biologische processen erg nuttig zijn om fouten in de embryo-ontwikkeling te begrijpen.”

Bron: EurekAlert