Een Chinees team slaagde er in om iets wat anders eeuwen van kweken kost, in een enkele stap voor elkaar te krijgen. Een grote soort wilde rijst wordt in een handomdraai een voedselgewas, compact en eetbaar. Ze gebruikten genoom sequencing en -bewerking als snelle manier om planten te ’temmen’.
Oryza alta
Daardoor kon een wilde rijstsoort snel in een rijk voedselgewas worden omgezet. De meest gekweekte rijst (Oryza sativa) heeft in de meeste cellen twee kopieën van het genoom, maar sommige van zijn wilde verwanten hebben er vier. Dit kenmerk, tetraploïdie, is een kenmerk dat in verband wordt gebracht met krachtige en winterharde planten.
Om te profiteren van die genetische rijkdom, ontwikkelden Jiayang Li en zijn collega’s een manier om precieze veranderingen aan te brengen in het genoom van een wilde rijstsoort, Oryza alta. Oryza alta is een Zuid-Amerikaanse rijstsoort die tot vier meter hoog kan worden. Het is ook een overblijvende plant. De meeste soorten rijst leven maar een jaar.
Een nieuw voedselgewas. De twee meest linkse soorten, Oryza sativa en (beperkt) Oryza glaberrima, leveren alle gekweekte rijst. Chinese onderzoekers slaagden er in om de wilde soort Oryza alta (de enorme plant in het midden) te temmen tot de derde gekweekte rijstsoort, met één enkele reeks CRISPR edits van het genoom. Bron: Paul L. Sanchez et al.
Voedselgewas door CRISPR
Dergelijke nauwkeurige genoombewerking is in veel planten een uitdagende taak. Het team haalde de genomen van tientallen wilde rijstlijnen, waaronder enkele van O. alta, door een sequencer. Zo vond het team de O. alta versie van 123 genen waarvan bekend is dat ze belangrijk zijn in gekweekte rijst voor landbouwkenmerken. Denk dan aan bijvoorbeeld genen die invloed hebben op opbrengst van korrels en kwaliteit. De auteurs gebruikten daarna op CRISPR gebaseerde techniek om zes van die kenmerken te verbeteren. Dit lukte. En is nu een demonstratie van een snelle methode om wilde rijst geschikter te maken voor de landbouw.
Gevolgen
Op dit moment hangt onze wereld voedsel productie af van slechts enkele soorten, in totaal minder dan vijftig. Door deze nieuwe techniek kunnen we het enorme genetische potentieel in de honderdduizenden overige plantensoorten aftappen, en deze wilde planten omzetten in nieuwe landbouwgewassen. Dat is erg goed nieuws en wel hierom. Ziekteverwekkers zijn vaak gespecialiseerd op één soort. Als we het aantal cultuurgewassen uitbreiden tot duizenden soorten, kunnen ziekten veel minder schade aanrichten.
Ook kunnen we planten voor nieuwe niches ontwikkelen. Neem, bijvoorbeeld de Kerguelenkool. Deze wilde kool groeit erg goed in het barre, koude klimaat van de Kerguelen eilanden waar de plant vandaan komt. Als we deze vit. C rijke kool kunnen temmen, hebben we een groente die hartje winter kan worden gekweekt.
Tot slot kunnen we nieuwe gewassen vinden voor nieuwe doelen. Bijvoorbeeld, een soort voor een grondstof, bedoeld om aardolie mee te vervangen. Of een plant die vezels voor textiel levert.
De Kerguelen kool is erg goed bestand tegen barre klimaten en ook een windbestuiver. Een toekomstig voedselgewas? Bron: Wikimedia Commons/B.Navez
Bron:
Hong Yu et al., A route to de novo domestication of wild allotetraploid rice, Cell, 2021, DOI: 10.1016/j.cell.2021.01.013
Volgens een professor van de Californische universiteit Stanford, is seks als middel om kinderen te krijgen binnenkort uit de tijd.
Professor Hank Greely Interview: The End of Sex in Regards to Reproduction?
Het wordt dan mogelijk, om zwangerschappen en de eigenschappen van kinderen geheel zelf te plannen. Echter met grote macht komt grote verantwoordelijkheid. Welke genen willen we absoluut veranderd hebben en wat zijn twijfelgevallen? Vrijwel iedereen zal het er over eens zijn dat bijvoorbeeld het gen dat de ziekte van Huntingdon (een dodelijke spierziekte) veroorzaakt, moet verdwijnen en vervangen door een gezond exemplaar. Maar wat moeten we doen met genen die zowel positieve als negatieve effecten hebben? Of genen die een licht negatief effect hebben? Lopen we geen risico de genenpool van de mens sterk te verarmen, als iedereen mag bepalen welke genen zijn en haar kinderen zullen dragen?
Minder vruchtbare mensen kunnen nu toch kinderen krijgen, dankzij kusntmatige bevruchting. Wordt dit, met genetische manipulatie, de toekomst voor alle kinderen? Bron: Wikipedia
200.000 hartcellen van een rat, een goudplaatje en een voedingsoplossing met glucose en zuurstof bleek alles wat nodig was om een cyborg-rog te maken.
Cyborg rog
Roggen, een van de alleroudste groepen vissen, bewegen zich erg energiezuinig door water. Hun vinnen bewegen ze in golven, waardoor ze zich vooruit duwen. Dit maakt voor roggen zwemmen energiezuiniger dan andere vissen. Als je een zwemmende robot bouwt die zuinig omspringt met zijn enrgiebron, wil je dus een rog-achtig model.
De cyber rog, een cyborg van cellen uit een rattenhart en een goudskelet.
Sung-Jin Park van Harvard University en collega’s in de VS en Zuid Korea bekleedden een frame van goudfolie en siliconenrubber met 200.000 hartcellen en flexibel ondersteunend materiaal. De hartcellen plaatsten ze in een zigzagpatroon. Enkele hartcellen zijn genetisch gemanipuleerd, waardoor ze gevoelig worden voor licht van bepaalde golflengten. De golflengten in kwestie verschilden voor de linkerhelft en rechterhelft. Hartweefsel verschilt van normaal spierweefsel, omdat hartspiercellen samentrekkingen doorgeven aan andere spiercellen. Oftewel: de pulserende bewegingen van een hart manifesteren zich als samentrekkingen van de ‘vinnen’. Deze plaatsten ze in een voedingsoplossing.
Light-guided Biohybrid Robotic Ray
Besturen met licht
Opmerkelijk aan de robot is dat deze met licht op afstand bestuurd kan worden. De ‘vleugels’ bewegen onafhankelijk van elkaar. Door de pulssnelheid van de twee kleuren licht te manipuleren, gaan deze vleugels sneller of juist langzamer bewegen. Op die manier beweegt de rog met de klok mee of juist tegen de klok in. De besturing bleek effectief en nauwkeurig genoeg om de cyborg-rog door een parcours vol obstakels te besturen.
Pas na zes dagen begon de zwemsnelheid onder tachtig procent van de oorspronkelijke snelheid te dalen.
In Science staat een uitgebreid artikel. Paywall, maar sci-hub. Nuf said. Betekent dit het begin van een nieuwe klasse biologische robots?
De wilde voorouders van voedselgewassen nu zien er doorgaans totaal anders uit dan wortels, appels en aubergines nu.
het vergde duizenden jaren van veredeling om het stadium van nu te bereiken. Vooral opmerkelijk is de prestatie van de volkeren van Midden- en Zuid-Amerika, die er in slaagden om de onaanzienlijke teosinte, of wilde maïs, om te turnen in de enorme maiskolven die nu onze velden sieren. In feite zijn tientallen van onze voedselgewassen, denk bijvoorbeeld aan xitomatl (tomaat), tomatl (tomatillo), chilli (rode peper en paprika), chunu (aardappel), ahuacatl (avocado), xocolatl (cacao), chÄ«malxochitl (zonnebloem), chiazaden, quinoa en chilacayohtli (pompoen), uit de Nieuwe Wereld afkomstig.
De wilde appel is ongeveer zo groot als een flinke bes. Bron/copyright: Rust Belt Vegetarian.com
Met de ontdekking van het bacterie-immuunsysteem CRISPR zijn onderzoekers gestuit op een zeer krachtige techniek om DNA te veranderen.
CRISPR: korte segmenten
Het veranderen van het DNA was tot voor kort een vrij moeizaam proces, dat gebruik maakte van recombinant virussen of, recenter, speciale eiwitten: ZnS en TALENS. Dat veranderde met de ontdekking en ontwikkeling van Clustered regularly interspaced short palindromic repeats, afgekort CRISPR. We weten nog niet alles van CRISPR en de bijbehorende CAS enzymen, dus wat hieronder volgt is onvolledig.
CRISPR’s zijn korte segmenten herhaalde codes in het DNA van ongeveer 40% van de bekende bacteriën en 90% van de onderzochte archaea. Tussen deze segmenten bevinden zich DNA van een faag.
CRISPR beschermt bacteriën tegen fagen (hier afgebeeld). Naar nu blijkt, kan het ook uitstekend gebruikt worden om genen te vervangen.
Herkennen van fagen
Het bijbehorende enzym CAS9 herkent deze codes en knipt RNA en DNA op de plaats waar deze voorkomen. Als bijvoorbeeld een faag, een bacterievirus, zijn inhoud in een bacterie loost, en de code komt ook op het RNA of DNA van de faag voor, dan knipt CAS9 het DNA- (of RNA-) lint door op die plek. Dat betekent dan einde oefening voor deze faag, in plaats voor de bacterie.
Bacteriën ‘leren’ fagen herkennen door de enzymen CAS1 en CAS2. CAS1 bindt aan een willekeurig stuk vrijzwevend DNA, zoals dat van een faag, en kopieert een klein stukje van 12-48 baseparen over in het DNA van de bacterie, afgewisseld door een vaste reeks: een nieuwe CRISPR. Landt een volgende faag, dan kopieert CAS2 als een bezetene de CRISPR bibliotheek, knipt deze in kleine stukjes en koppelt deze stukjes aan CAS9-enzymen die, zodra het DNA matcht met een bekende faag, knippen. Omdat de CRISPR overerft, is de bacterie en al zijn nakomelingen tegen deze fagensoort opgewassen. Een Lamarckiaans overerfmechanisme dus. Totdat de faag zijn DNA verandert, zodat de CRISPR niet meer wordt herkend in het faag-DNA en het spelletje van voren af aan begint.
CRISPR by Mike
Knutselen aan genen nu gemakkelijker dan ooit
Prettig aan de verschillende CAS enzymen is dat ze geen onderscheid maken tussen het DNA van een faag of ander DNA. Je kan er dus ook zeer precies genen van bijvoorbeeld mensen mee knippen en plakken. In feite is dat al gebeurd, uiteraard met niet-levensvatbare embryo’s, en honderden andere soorten binnen alle grote domeinen van het leven. Als CRISPR codes van het desbetreffende gen bekend zijn, kan in principe elk van de meer dan tienduizend menselijke genen vervangen worden door een ander gen.
Het recept: je brengt op een streng RNA de code voor het CAS9-enzym, met daarvoor de CRISPR die codeert voor een bepaald gen, in in de gastheercel. Plus de code voor het nieuwe gen. De cel gaat dit kopiëren, het tot leven gewekte CAS9-enzym (dat van nature niet in menselijke cellen voorkomt) knipt het DNA voor en achter het gen door en de reparatiemechanismen in de cel plakken het ‘nieuwe’ gen op de plaats van het gat.
Kortom: we kunnen maar beter goed gaan nadenken over ethisch-genetische vraagstukken, voor je bij de lokale bouwmarkt een Doe Het Zelf Koter Bouwpakket kan bestellen.
Volgens sommigen is de positie van de mens als enig denkend wezen in de natuur een bewijs van goddelijk ingrijpen. Anderen geloven, dat buitenaardse wezens uit apen mensen hebben gefokt. Is dit aantoonbare flauwekul of zit er een kern van waarheid in?
‘Mens knutselwerk van aliens’
Bijna elk volk kent legenden over goden, die de mens geschapen zouden hebben. De Zwitserse kroegbaas Von Däniken werkte de gedachte dat de goden buitenaardse kosmonauten waren, uit in een reeks bestsellers. De pseudowetenschapper Zekaria Sitchin beweert iets soortgelijks. Nu slaat Darryl Anka, met zijn “gechannelde” personage Bashar, toe. Hij beweert, in navolging van de stichter van de UFO-sekte Raël, Claude Vorilhon, dat de mensheid is geschapen door buitenaardse wezens (de Elohim volgens Raël). Kan wat hij zegt kloppen?
Is het mogelijk dat niet-menselijk DNA in de mens is ingebouwd?
DNA is de afkorting van desoxyribonucleïnezuur. DNA bestaat uit een spiraal, waarin steeds twee gepaarde ‘letters’, vier vrij eenvoudige moleculen, elkaar afwisselen. DNA codeert voor eiwitten. Elke combinatie van drie baseparen staat voor één aminozuur. Deze ’taal’ is universeel over het aardse levensdomein, hoewel kleine variaties bestaan. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk om DNA voor insektendodende cry-eiwitten van de bacterie Bacillus thuringiensis in te bouwen in landbouwgewassen, wat vervolgens deze gewassen resistent maakt tegen bepaalde insekten. En vermoedelijk ook zeldzame vlinders doodt, maar dat even terzijde. Het is dus in principe zeker mogelijk om nieuwe genen in het menselijk genoom in te bouwen. Sterker nog: het gebeurt geregeld. Er zijn zogeheten retrovirussen, die in staat zijn zichzelf te verstoppen in het menselijk DNA. Gebeurt dat toevallig bij een kiemcel voor spermacellen of eicellen, dan wordt het virus doorgegeven aan de nakomelingen. In het menselijk DNA zijn meerdere ‘slapende’ retrovirussen aangetroffen.
Zou het ook met buitenaards DNA kunnen?
De vraag of dat met buitenaards DNA ook kan, is lastiger te beantwoorden. Ten eerste is het zeer de vraag of buitenaards leven wel DNA heeft. Het is heel goed mogelijk, dat buitenaards leven een ander type nucleïnezuur, of zelfs een heel verschillend opslagsysteem voor genetische informatie kent dan aards leven. De ‘keuze’ van het aardse leven voor de huidige code, waarin bijvoorbeeld de nucleotidereeks CCC voor het aminozuur proline staat, is ook arbitrair. Het zou wel erg toevallig zijn als de genetische code van buitenaards leven exact gelijk zou zijn aan die van aards leven, tenzij panspermie op is getreden. Alleen in dat laatste geval, waarin het leven ergens anders in het heelal is ontstaan, zich door het heelal heeft verspreid en zowel aardlingen als aliens voort heeft gebracht, is het überhaupt mogelijk om buitenaards DNA in de mens te implanteren.
Zijn er bewijzen voor buitenaards genetisch materiaal in de mens?
Vergeleken met de chimpansee en de bonobo, de twee soorten mensapen die het nauwst met de mens verwant zijn en die ongeveer 7 miljoen jaar geleden van de mens afsplitsten, wijkt het menselijk DNA met ongeveer 35 miljoen baseparen af, plm. 4%. Ongeveer 80 genen zijn in de mens verloren gegaan, waarvan meer dan de helft, 36, te maken hebben met de reukzin. Vooral genen die te maken hebben met het reageren op chemische stoffen of immuunsysteem lijken te zijn verdwenen.
Andere verdwenen of uitgeschakelde genen zijn onder meer het gen voor dik haar en kaakspieren. Door dat laatste ontstond mogelijk ruimte voor hersengroei. Twee nieuwe genen, HAR1F resp. HACNS1 leidden vermoedelijk tot hersengroei resp. de opponeerbare duim (waardoor de mens makkelijker gereedschap kan gebruiken).
Waren aliens onze voorvaderen? Aanhangers van ufosekten zoals de Raëliërs en sommige new agers geloven er heilig in.
Dit zijn genetisch gesproken niet heel spectaculaire veranderingen. Het is niet nodig, een buitenaards lab en verveelde aliens te verzinnen om deze veranderingen te verklaren. Ouderwetse darwinistische evolutie zoals we die al kennen, is voldoende.
Kortom: afgezien van gechannelde boodschappen van het buitenaardse wezen Bashar en Claude Vorilhon’s visioenen, is de bewijslast voor buitenaardse genetische manipulatie vrijwel afwezig. Er zijn daarentegen een aantal goede argumenten, die tegen buitenaards geknutsel aan mensapen pleiten.
De genetische code van het fruitvliegje Drosophila melanogaster is gekraakt, waardoor de vlieg eiwitten produceert die niet van nature voorkomen. De ontdekking kan uiteindelijk leiden tot de schepping van nieuwe of “verbeterde” levensvormen in het bloeiende onderzoeksveld van synthetische biologie.
Alfabet van het leven
Onze genetische code bestaat uit vier chemische ‘letters’: A, G, C en T. Een combinatie van drie ‘letters’ (bijvoorbeeld ATA), een codon, staat voor een aminozuur in een eiwit (in dit geval: het aminozuur isoleukine). Voor de liefhebbers: de complete tabel staat hier. Er zijn in totaal 4*4*4=64 mogelijke combinaties, die elk voor een bepaald aminozuur staan (of voor een stopcodon). Er zijn overigens aminozuren die door meerdere, tot zelfs zes, codons vertegenwoordigd worden. Er zijn drie lettercombinaties die het aflezen stoppen: TAA, TAG, TGA. Deze heten dan ook stopcodons. Eerdere genetici zijn er al in geslaagd één van deze drie stopcodons te laten vertalen in een synthetisch aminozuur in een nematode (een rondworm). De rondwormen begonnen vervolgens eiwitten te maken met het niet in de natuur voorkomende aminozuren.
Voor het eerst ie het gelukt kunstmatige aminozuren in een gezonde vlieg in te bouwen. Bron: Wikimedia Commons/Andre Harwáth
Fruitvlieg met nog niet bestaande aminozuren
Jason Chin van het Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology van het Britse Cambridge is nu een stap verder gegaan door dit te bereiken in fruitvliegen. Een fruitvlieg is aanmerkelijk slimmer dan een worm. De diertjes kunnen leren en beschikken over een primitief brein en enkele instinctieve gedragingen. Aangezien een volwassen vlieg het resultaat is van een ingewikkelde wisselwerking tussen diverse genen, die elk een specifiek eiwit produceren of andere genen aansturen, was het maar de vraag of dit zou lukken.
Desondanks is de groep van Chin er nu in geslaagd om drie nieuwe aminozuren in eiwitten in de eierstokcellen van de vliegen te laten produceren. Hiervoor gebruikten ze genetisch gemanipuleerde bacteriën als drager. De vliegen kregen zelfs gezonde nakomelingen die de afwijkende eiwitten ook produceerden. Wetenschappelijk is deze ontdekking erg nuttig, want doordat nu specifiek bepaalde eiwitten kunnen worden gemanipuleerd, krijgen biologen veel meer mogelijkheden om tot in detail biochemische processen te onderzoeken. Als je de chemische structuurformule van het synthetische aminozuur bekijkt, in het plaatje rechts, zie je dat dat echt een bizar ingewikkelde stof is waarbij zelfs het ingewikkeldste aminozuur, tryptofaan, nog simpel is. Als zelfs dit gedrocht zonder problemen in de vlieg kan worden verwerkt, opent dat mogelijkheden.
Vlieg met aan-uit schakelaar
Het feit dat de vliegen deze mailtraitering klaarblijkelijk gezond en wel overleven, opent mogelijkheden voor ondernemende knutselaars. Zo kan je denken aan aminozuren met radicaal afwijkende chemische eigenschappen die in de natuur niet voorkomen. Als je bedenkt dat een aminozuur bestaat uit een aminogroep, een zuurgroep, een koolstofatoom daartussenin en (aan het genoemde koolstofatoom) een restgroep naar keuze, kan je de meest bizarre aminozuren bedenken. Denk aan lichtgevoelige aminozuren, die een enzym aan- of juist uitschakelen als er licht op schijnt. Erg handig als je wilt uitvinden of een bepaald enzym wel of juist niet betrokken is bij een chemische reactie. Of aminozuren die onderling dwarsverbindingen vormen. Daarmee zou je exotische eiwitten kunnen vormen met bizarre eigenschappen. En dus, wie weet, supervliegen met bijzondere eigenschappen. In ieder geval zijn Chin en de zijnen er in geslaagd een compleet nieuwe vlieg te ontwerpen.
Allah’s bewering gebroken
Met de schepping van deze kunstmatige vlieg komen we op een saillant detail. Ergens in de koran, 22:73, staat: O mensen, een gelijkenis wordt gegeven, luistert er naar. Voorzeker, degenen die gij in plaats van Allah aanbidt kunnen zelfs geen vlieg scheppen, al zouden zij daar allen toe samenwerken. En indien een vlieg iets van hen zou wegnemen, zouden zij dat niet kunnen terugnemen. Zwak is zowel de zoeker als de gezochte. Met andere woorden: de koran beweert dat alleen Allah vliegen kan scheppen. Stel, je gelooft dat alle samenwerkende wetenschappers een vorm van god vormen, zeg maar de incarnatie van Wetenschap. Dit is ongeveer de denkwijze van kosmisten en transhumanisten. Dan kan datgene wat zij “aanbidden” dus wat Allah ook kan. Ik ben benieuwd hoe de imams en andere ware gelovigen die de koran letterlijk nemen zich hier uit gaan lullen, want hiermee komen ze behoorlijk in de problemen. Dit is nog maar een voorproefje trouwens. Als mensen onsterfelijk worden, kan je pas echt lachen.
Ongeveer 2,4 miljoen jaar geleden vond een enkele mutatie plaats, die leidt tot de vorming van veel meer dwarsverbindingen tussen hersencellen. Opmerkelijk genoeg is dit ook de tijd dat het oudste gereedschap is gevonden en dat ons geslacht Homo zich afsplitste van de Australopithecus. Is nu eindelijk het moment bekend dat de mens echt mens werd?
Dit maakt mensen slimmer. Een dubbele kopie van het gen SRGAP. Ter vergelijking: orang-oetans en chimpansees hebben elk maar één kopie. Bron/copyright: Scripps Institute/R. Polleux
Tweede kopie maakte ons mens
Zou een extra kopie, daterend van 2,4 miljoen jaar geleden, van een gen dat betrokken is bij hersenontwikkeling, neuronen in staat hebben gesteld om verder te migreren en meer dwarsverbindingen te ontwikkelen? Deze theorie is nu voorzien van extra bewijs dankzij onderzoek van Scripps Research. Opmerkelijk blijkt de extra kopie van SRGAP2 niet de functie van het oorspronkelijke gen te versterken (het vormen van uitlopers door pyramidecellen). Integendeel, de extra kopie interfereert met deze oorspronkelijke functie. Hoe kan dit mensen intelligenter maken? Het antwoord, zo lijkt het: de neuronen hebben hierdoor meer tijd om zich tot een groter brein te organiseren. Franck Polleux, hoogleraar aan het Scripps Reseach Institute noemt dit een belangrijk voorbeeld van een wijziging in een enkel gen dat bijdraagt aan de menselijke evolutie. De bevinding dat een kopie van een gen een interactie aan kan gaan met de originele kopie (die 3,7 miljoen jaar geleden plaatsvond), biedt ook een nieuwe kijk op hoe evolutie te werk kan gaan. Mogelijk kunnen we zo ook ontdekken waarom bepaalde ontwikkelingsstoornissen die alleen bij mensen voorkomen, zoals autisme en schizofrenie, ontstaan.
De opkomst van de tweede kopie (SGAP2C) vond ongeveer 2,4 miljoen jaar geleden plaats, ongeveer het tijdstip waarop de uitgestorven Australopithecus en ons geslacht Homo uit elkaar gingen. Als de theorie klopt, en dit bewijsmateriaal is behoorlijk overtuigend, is dat dus het moment dat onze voorouders van halfbewust dier, mensen werden.
Slechts dertig gedupliceerde genen maken ons verschillend van andere apen
Polleux is gespecialiseerd in de ontwikkeling van het menselijk brein. Enkele jaren geleden begon zijn lab de functie van het nieuw-ontdekte gen SRGAP2 te onderzoeken. Ze ontdekten dat dit gen in muizen een sleutelrol speelt in de ontwikkeling van het brein. Het vervormt het celmembraan van jonge neuronen naar buiten, waardoor er wortelachtige groeisels, filopodia, ontstaan. Zodra jonge neuronen deze filopodia vormen, migreren ze door het groeiende brein. Uiteindelijk bereiken ze hun definitieve positie, de hersenschors, waar ze verbindingen vormen. De meeste verbindingen worden gemaakt via aansluitpunten, spines, die wel wat weghebben van bloemknoppen op stelen. Hierop sluiten de uitlopers van andere neuronen aan. SRGAP2 was onder het kleine aantal genen, plusminus dertig, die de afgelopen zes miljoen jaar (toen de voorouders van de mens afsplitsten van de andere mensapen) gedupliceerd zijn. Gensequentietechnieken voeren in feite een zoekactie uit op een bepaalde basenreeks (basen zijn de vier chemische ‘letters’ van DNA). Dat is de reden dat de duplicaten pas kort geleden ontdekt zijn. De duplicaten lijken namelijk bijna letter voor letter op het origineel.
Pas in de jaren na 2007 zijn onderzoekers er in geslaagd met nieuwe technieken deze duplicaten, die alleen in hominiden voorkomen op te sporen. Er is nog bijna geen een van deze verdubbelingen verder onderzocht. SRGAP2 was de uitzondering, immers bekend is dat het gen invloed heeft op de hersenontwikkeling. Uiteraard maakte dit SRGAP2 het interessantste doel voor onderzoek voor Polleux en zijn collega’s: zou dit gen de sleutel zijn die verklaart hoe de mens ontstond? In de eerste stap bevestigde het onderzoek van het team inderdaad dat er twee meer dan 99% identieke kopieën, SRGAP2B en SRGAP2C, in ons chromosoom 1 voorkomen. Dit maakt dat het oorspronkelijke gen nu herdoopt is tot SRGAP2A.
Homo habilis is de eerste echt succesvolle Homo soort geweest en onze directe voorouder. Naar nu blijkt, was een verdubbeling van een enkel gen de oorzaak van de veel grotere intelligentie van deze vroege mensensoort. Bron: Wikimedia Commons/Lilliundfreya
Einsteinmuizen
Na gevoelige technieken te hebben ontwikkeld om deze duplicaten, met de in eiwitten vertaalde kopieën ervan, te vinden, onderzochten welke van de drie genkopieën het meeste actief was. Dit bleek slechts één te zijn, SRGAP2C. Het SRGAP2C eiwit bleek een verkorte versie van het oorspronkelijke SRGAP2 eiwit te zijn. Hoewel het SRGAP2’s vermogen mist om neuronale spines te laten rijpen, doet het wat anders: het remt de werking van het originele SRGAP2 eiwit.
Polleux en zijn groep namen de proef op de som door zich ontwikkelende muizenbreinen bloot te stellen aan SRGAP2C. Ze ontdekten dat de effecten op hersenontwikkeling dezelfde waren als het blokkeren van het SRGAP2 gen zelf. Het gevolg: de piramide-neuronen migreerden sneller en hadden veel langer tijd nodig om hun volledige set dendritische spines uit te laten lopen. Dit had een onverwacht effect: piramidevomige neuronen vormden utieindelijk veel meer uitlopers (en dus onderlinge dwarsverbindingen) dan normaal: net als menselijke piramidale neuronen.
Nog opmerkelijker: deze dendritische spines hadden ook de langere stelen die ook op menselijke piramidale neuronen voorkomen. Dit is ook nodig: de langere stelen zorgen, denken andere onderzoekers, voor een grotere onderlinge afstand, dus betere biochemische en elektrische isolatie van de verschillende verbindingen. zodat geen kortsluiting optreedt. Dit voorkomt toevallen, zoals epileptische aanvallen, aldus Polleux. “SRGAP2C schijnt belangrijk te zijn voor deze zeer belangrijke evolutionaire verandering.†En inderdaad blijken muizen met een verwijderd SRGAP2 gen te lijden aan stuiptrekkingen. Soortgelijke symptomen treden op in kinderen met zeldzame mutaties in het SRGAP2 gen.
Het ontstaan van Homo sapiens Opmerkelijk genmoeg was het niet SRGAP2C, maar het weinig actieve SRGAP2B dat het eerste verscheen, plm. 3,4 miljoen jaar geleden. Het actieve SRGAP2C gen verscheen een miljoen jaar later, rond de 2,4 miljoen jaar geleden. Het moment dat de eerste Homo soort, Homo habilis, ontstond. Homo habilis bleek een heel stuk slimmer dan zijn Australopithecus voorgangers, wat blijkt uit het gevonden gereedschap. Het gevolg van de late rijping van de spines, waardoor er meer verbindingen konden ontstaan in het brein van H. habilis. Vermoedelijk zijn er nog meer genen onder de dertig verdubbelde genen die mee hebben geholpen ons brein te maken tot wat het is. Zo zijn er nog meer sprongen in breingrootte bekend: de sprong van H. habilis naar H. ergaster (een verdubbeling tot 600 ml) en H. ergaster tot H. heidelbergensis en H. sapiens (rond de 1,3 tot 1,8 liter; H. sapiens neanderthalensis haalde zelfs 1900 ml). Deze worden dan ook onderzocht door Polleux en het lab van zijn collega Eichler. Er zijn geen tussenvormen bekend tussen H. ergaster en H. heidelbergensis. Zou ook hier een enkele genmutatie een grotere breingrootte en dus een nieuwe mensendsoort hebben opgeleverd?
Toekomtige behandeling voor autisme en schizofrenie? Autisme en schizofrenie zijn beide voorbeelden van ontwikkelingsstoornissen in de hersenen, die mogelijk nu beter begrepen kunnen worden. Van autisme en schizofrenie is bijvoorbeeld bekend dat er afwijkingen zijn in de onderlinge verbindingen van neuronen en ontwikkeling van synapsen. Tot nu toe bleek het zeer moeilijk kunstmatig autisme en schizofrenie in muizen op te wekken. Mogelijk lukt dit wel door kunstmatig genduplicaties zoals SRGAP2C op te wekken in muizen en zo belangrijke missende stukjes van de puzzel te vinden. “Humanisatie” van muizen, m.a.w. menselijke genen inbouwen in muizen, bleek in andere biowetenschappen zoals immunologie al nuttig, maar is nog niet vaak in de neurowetenschappen toegepast. Een andere onderzoeksrichting die beide labs willen uitpluizen, is onderzoeken of er een samenhang bestaat tussen veranderingen in deze dertig gedupliceerde genen en neurologische ontwikkelingsstoornissen. Mogelijk kunnen er met dit paradigma dan enkele raadselachtige witte plekken in ons begrip van menselijke ziekten worden opgelost.
RNA is ouder dan DNA, denken de meeste evolutiebiologen. Maar wat kwam er voor RNA? Misschien een nieuw type nucleïnezuur: TNA.
DNA: biologisch geheugen
De ontdekking van DNA door Watson en Crick verklaarde veel raadsels. Zo is nu bekend waarom genetische eigenschappen nooit ‘verwateren’ (er zijn geen erwten die half-kreukzadig zijn) maar een binair karakter hebben. Elk gen bevindt zich op een sliert DNA, die is verbonden aan een aanvullende sliert: de bekende DNA helix. Toch kon DNA onmogelijk de oorsprong van het leven hebben gevormd. DNA op zichzelf kan biochemisch gezien namelijk vrijwel niets, behalve dan spontaan recombineren met een bijpassend stuk DNA.
Om DNA te ‘lezen’ bestaat er daarom een bonte menagerie aan enzymen, waaronder DNA transcriptase, dat DNA vertaalt in messenger-RNA. Dit messenger-RNA is de ‘blauwdruk’ waarmee uiteindelijk eiwitten worden gebouwd.
We weten vrijwel niets van de omgeving waarin het eerste leven zich gevormd heeft. Bron: NASA
‘RNA was voorganger DNA’
Een ander zeer essentieel onderdeel van een cel, dan dan ook in letterlijk elke levende cel voorkomt, is het ribosoom. Ribosomen bestaan opmerkelijk genoeg vrijwel geheel uit RNA (voluit: ribonucleïnezuur). Dit RNA leest stukken messenger-RNA en vertaalt deze, codon voor codon, in een eiwit. RNA dat RNA leest en vertaalt. En: er zijn naast ribosomen ook andere ribozymen, enzymen dus die niet uit eiwit bestaan maar uit RNA. Dit maakt RNA een ijzersterke kandidaat voor het vooroudermolecuul. Pas in een later stadium ontstond DNA, als stabielere opslag voor informatie. Geen wonder dat de RNA-wereld hypothese veel aanhangers heeft. Het is verreweg de meest overtuigende hypothese.
Zwakke punten RNA-wereld hypothese
Toch kent ook de RNA-wereld hypothese zwakke plekken. RNA is weliswaar biologisch actief,maar het is ook chemisch instabiel. RNA blijft zelden langer dan een dag intact. Ter vergelijking: op dit moment worden er experimenten gedaan die tot doel hebben diepgevroren mammoeten, waarvan het DNA tienduizenden jaren oud is, weer tot leven te wekken. Er moet dus een mechanisme hebben bestaan om RNA te beschermen tegen afbraak. Of… misschien was er een ander op RNA lijkend molecuul dat niet te lijden had onder dit zwakke punt.
Een dergelijk molecuul is nu gevonden.
RNA bestaat uit suikers, die d.m.v. fosfaatgroepen aan elkaar zitten. Aan elke suiker zit een 'letter', een nucleobase, die de informatie draagt. Bron: Wikipedia
DNA, RNA… TNA
DNA en RNA bestaan uit een keten van nucleïnezuren. Chemisch gezien bestaan deze uit een suikermolecuul waaraan een variant van een koolstof-stikstofring (nucleobase) hangt. De nucleobases dragen de informatie, de suikermoleculen, met fosfaatgroepen aan elkaar gekoppeld, vormen de keten. Het verschil tussen DNA en RNA ligt in de suiker: deze is bij RNA ribose, bij DNA desoxyribose (ribose met een zuurstofatoom minder). Er zijn nog meer varianten, die alleen in het lab voorkomen. Een daarvan is TNA. Dit heeft threose (een andere suiker) in plaats van ribose of desoyribose.
Volgens John Chaput van Arizona State University in Tempe is het belangrijkste voordeel,evolutionair gesproken, dat threose een kleiner en simpeler molecuul is dan ribose of deoxyribose, wat het makkelijker maakt om TNA te vormen.
TNA-enzym?
TNA blijkt ook een ander kunstje te beheersen waarvan tot nu toe werd aangenomen dat alleen RNA dit kon: zichzelf in een driedimensionale vorm opkrullen en zich aan een specifiek eiwit vastklampen, een noodzakelijke eerste stap om een chemische reactie te beïnvloeden. Chaput en zijn groep namen een bibliotheek van TNA’s en lieten ze evolueren in aanwezigheid van een eiwit. Na drie generaties ontstond een TNA-keten die een complexe opgevouwen structuur had en zich aan het eiwit kon binden.
Toch is de kans klein dat er iets als een TNA-wereld heeft bestaan. De chemische omgeving van de vroege aarde (of een andere plaats waar het leven is ontstaan) was zo chaotisch dat TNA niet uit zichzelf kon zijn ontstaan. In 2008 werd een onderzoek gepubliceerd waarin nucleïnezuren in een meteoriet werden beschreven, maar het ging hier slechts om bouwstenen van nucleïnezuren, niet de combintie van suiker + base en tot overmaat van ramp was hun concentratie erg klein. Chaput denkt daarom dat er een grote variëteit aan nucleïnezuren is ontstaan en dat deze alle met elkaar interacteerden. Een reageerbuis zo groot als de aarde dus.
Mozaïek-nucleïnezuren
Volgens een andere studie, deze keer van Nobelprijswinnaar Jack Szostak van Harvard University en zijn groep, kunnen ook mozaiekmoleculen bestaande uit DNA en RNA zich aan bepaalde moleculen binden. Kortom: ook in een chaotisch mengsel zouden zich in principe enzymen kunnen vormen. Wel is er een uiterst sterk tegenargument. We hebben in geen enkel organisme andere nucleïnezuren aangetroffen dan DNA of RNA.
Wat niet wil zeggen dat dergelijke organismen niet denkbaar zijn op exoplaneten of in deep space. En we weten nog maar weinig van de biochemie van TNA. Immers, de technieken om deze moleculen te laten evolueren zijn erg nieuw, aldus Chaput. Bovendien: we weten nog veel minder van de exacte omstandigheden op aarde, meer dan vier miljard jaar geleden. Wie weet zijn er ook nucleïnezuren die specifiek geschikt zijn voor hogere of veel lagere temperaturen. Dit zou de mogelijkheden voor het ontstaan van leven fors vergroten.
Al meer dan zestig jaar zijn er maar twee ‘grammaticale regels’ bekend in DNA. Onderzoekers hebben met een baanbrekende ontdekking nu vier extra gevonden.
Al langer was bekend dat DNA uit vier bouwstenen bestaat: adenine, guanine, thymine en cytosine. Direct aan de ontdekking van DNA ging de ontdekking van de eerste twee DNA-grammaticaregels vooraf. De Oostenrijkse biochemicus Erwin Chargaff ontdekte deze twee naar hem genoemde regels. Deze zijn: er is in DNA altijd precies evenveel adenine als thymine (plm. 30% elk) en guanine als cytosine (plm. 20% elk), maar de verhouding tussen adenine en guanine kan verschillen. Hierdoor slaagden Watson en Crick er in om de structuur van DNA op te helderen. DNA bestaat uit een dubbele spiraal, waarin er altijd een adenine tegenover een thyminemolecuul zit en een guaninemolecuul tegenover cytosine.
Chargaff ontdekte echter nog een tweede regel. Ook het meeste enkelvoudige DNA voldoet aan de 30:30:20:20 regel. We weten nog steeds niet waarom. Na deze twee ontdekkingen van Chargaff bleef het stil voor meer dan een halve eeuw. Tot een nieuwe ontdekking.
Michel Yamagishi van het Braziliaanse Applied Bioinformatics Laboratory en Roberto Herai van Unicamp in Sao Paulo, ook in Brazilië, zeggen dat ze hogere-orde patronen hebben ontdekt door verzamelingenleer te gebruiken. Hiermee leidden ze hogere-orde (ingewikkelder) regels af uit de twee regels van Chargaff. Hiervoor deelden ze de DNA-reeksen in stukken van twee of drie baseparen in. Ook hierin moeten fractalpatronen voorkomen. Yamagishi and Herai vatten deze in vier vergelijkingen samen.
Het bleef niet alleen bij deze wiskundige afleiding: bij 32 soorten waarvan het complete DNA in kaart is gebracht (waaronder de mens) zochten ze deze fractalpatronen. Inderdaad vonden ze die ook. Hiermee wordt aangetoond dat ook deze korte reeksen nucleotiden (oligonucleotiden) niet-variante patronen vertonen bij vrijwel alle soorten. Dit is erg handig als een soort foutcontrole. Zijn de patronen verdwenen, dan is het in kaart brengen van DNA klaarblijkelijk niet zorgvuldig gebeurd.
Pas echt interessant is dat deze patronen bij twee soorten niet voorkwamen: het aidsvirus HIV en Xylella fastidiosa 9a5c, een micro-organisme dat perzikbomen aantast. Van HIV is bekend dat het extreem snel muteert, maar wat is de reden dat Xylella niet aan de regel voldoet?
