Overvloed Met DNA-chips willen Delftse microbiologen de werking van een gistcel nauwkeurig ontrafelen om voor industriële toepassingen betere gistcellen te kunnen ‘ontwerpen’. Hulp van informatici is echter geboden, want de microbiologen verdrinken in de informatie.
/strong>
De moleculaire biologie beleeft spannende tijden. Nieuwe experimentele technieken maken het mogelijk om alle genetische informatie, ieder eiwit en elk reagerend stofje in een cel te meten. Bij de nieuwe ontdekkingen vliegen de neologismen je om de oren: genoom, proteoom, metaboloom, fluxeoom. Het achtervoegsel ‘oom’ -dat zoveel betekent als ‘het geheel van ‘- is bijna een must.
Dat is geen toeval. ,,Het onderzoek van de cel wordt steeds holistischer”, zegt prof.dr. Jack Pronk, hoogleraar in de industriële microbiologie bij het Kluyverlaboratorium. ,,Dat klinkt misschien wat new age-achtig”, verontschuldigt hij zich, ,,maar betekent gewoon dat we een beeld proberen te krijgen van het geheel aan gebeurtenissen dat in de cel plaatsvindt.”
Traditioneel onderzoeken industriële microbiologen een miniem stukje van het reactienetwerk in een levende cel. Door detailstudies aan elkaar te koppelen hopen ze de knelpunten te ontdekken in het ingewikkelde netwerk van honderden reacties. Wat beperkt bijvoorbeeld de productie van koolstofdioxidegas door gist tijdens het rijzen van brood?
,,Je loopt met zulk reductionistisch (versimpeld % red) onderzoek snel tegen beperkingen aan”, aldus Pronk. Levende cellen zijn zo complex dat een stofje uit een heel ander gedeelte van het reactienetwerk roet in het eten kan gooien. Zo’n stofje van elders blijkt soms de reactiesnelheid in het bestudeerde knelpunt te regelen.
Krap een jaar terug kreeg de onderzoeksgroep van Pronk en Kuenen een gouden kans om de gistcel als geheel te gaan bestuderen. In een evaluatie werd het onderzoek van de groep als zeer goed beoordeeld en kwam het laboratorium in aanmerking voor een subsidie van het college van bestuur voor de aanschaf van een Affymetrix genechip-apparaat. Dat apparaat is voor microbiologen wat een Harley Davidson voor de motorliefhebber is.
De genechip meet heel nauwkeurig welke genetische informatie de cellen gebruiken %oftewel welke genen worden ‘aangezet’- om te kunnen overleven in hun huidige omgeving. Zo moet gist in een voedselarme omgeving een zeer efficiënt opnamesysteem aanmaken en dus zijn de genen die daarvoor zorgen heel actief. In tijden van overvloed besteden gistcellen liever geen nutteloze energie aan een beter opnamesysteem en groeien ze liever hard. In die cellen zijn dus juist de genen die voor groei zorgen superactief. En zo verraden ze hun functie aan de onderzoekers.
Pronk en collega’s gebruikten twee jaar terug al genechip-gegevens uit Californië om te bepalen welke gistgenen een rol speelden bij de groei van gist zonder zuurstof, door te vergelijken welke genen in een omgeving zonder zuurstof wel actief waren en in een omgeving met zuurstof niet. Amerikaanse onderzoekers waren geïnteresseerd in een samenwerking met de Delftenaren omdat die gistcellen kunnen laten groeien in een goed gedefinieerde omgeving met bijvoorbeeld een constante hoeveelheid van allerlei voedingsstoffen.
Bij het bestuderen van het effect van een mutatie in het genetisch materiaal op de gehele cel is het namelijk belangrijk dat slechts één parameter verandert en alle andere constant blijven. ,,Anders weet je niet naar welk effect je kijkt”, zegt Pronk. ,,Stel dat de cellen in een kweek door een mutatie langzamer groeien en daardoor minder zuurstof verbruiken. Dan stijgt de zuurstofconcentratie in je reactor. Als je die zuurstofspanning niet nauwkeurig regelt dan bestudeer je misschien de invloed van zuurstof op de genen en niet die van de mutatie.”
Recalcitrant
,,Een andere mogelijkheid voor nieuw onderzoek met de genechip is het omgekeerde ontwerp van het reactienetwerk”, vervolgt Pronk. Microbiologen proberen al jaren om het reactienetwerk in de cel met genetische ingrepen gericht te veranderen. ,,Dit mislukt vaak, omdat cellen recalcitrant zijn; ze werken veranderingen tegen.”
Een alternatieve aanpak is om de micro-organismen onder zulke strikte omstandigheden te kweken, dat ze zich wel moeten aanpassen om te overleven. Door dan met de genechip te meten hoe de cel zelf zijn reactienetwerk heeftaangepast, kun je leren hoe je de cel voor een bepaald doel moet veranderen. Deze aanpak zal onder andere worden toegepast om voor de industrie gistcellen te ‘ontwerpen’ die op nieuwe voedselbronnen kunnen groeien.
Pronk herinnert zich de eerste keer dat hij met de resultaten van een genechip-meting werd geconfronteerd. ,,De hoeveelheid informatie van één meting is tegelijk een feest en een nachtmerrie. Ik zat tot diep in de nacht met kleine oogjes naar al die data te staren.” Die gaven aan welke van de duizenden genen ‘aangeschakeld’ of, zoals biologen zeggen, ’tot expressie gebracht’ waren.
Expressie
Datamining, het vinden van verbanden in de berg aan resultaten van de genechips, overstijgt het vakgebied van de microbiologie. Reden om hulp te vragen aan onderzoekers van de sectie informatie- en communicatietheorie van ITS.
Dr.ir. Marcel Reinders, universitair hoofddocent, en dr.ir. Lodewyk Wessels, postdoc, hebben al enkele jaren ervaring met de analyse van grootschalige biologische informatie. Reinders: ,,Wij zouden binnen het Dioc-programma Intelligent Molecular Diagnostic Systems patroonherkenning toepassen op beelden van chips met daarop minuscule putjes waarin biochemische reacties plaatsvinden. Die chips moesten nog ontwikkeld worden. Terwijl we op die data wachtten analyseerden we voor Amerikaanse kankeronderzoekers de expressie van genen in tumorcellen.” De informatici merkten dat de analyse van genetische data een snel groeiend gebied was en verlegden hun eigen werkterrein.
Nu de groep van Pronk genexpressie-metingen gaat doen, willen Reinders en Wessels graag helpen bij het verwerken van de data. Reinders benadrukt dat het niet de bedoeling is dat hun computerprogramma’s kant-en-klare biologische verklaringen uit de data gaan distilleren. Wessels: ,,Je kunt bijvoorbeeld wel in genexpressiedata van opeenvolgende monsters op zoek naar genen die hetzelfde expressiepatroon in de tijd laten zien.” Dat geeft een aanwijzing dat de genen mogelijk een gemeenschappelijke functie hebben.
Nadat het Affymetrix genechip systeem begin dit jaar arriveerde, duurde het een half jaar voordat een gekwalificeerde bemanning was gevonden. In september gingen de Australiër Matthew Piper en een Franse collega-postdoc met het apparaat aan de slag. Hun eerste taak was om de reproduceerbaarheid van de uitkomsten te controleren. ,,We hebben de genexpressie in gist uit twee onafhankelijke kweken vergeleken. Op de 6400 genen waren er slechts bij vijftig genen afwijkende meetgegevens”, zegt Piper enthousiast. ,,Bij het uitvoeren van de monstername en de preparatie van de genechip door twee verschillende personen was het verschil zelfs nog iets kleiner.” Hij is klaar voor het eerste echte experiment. De kennisontdekking kan beginnen.
Met DNA-chips willen Delftse microbiologen de werking van een gistcel nauwkeurig ontrafelen om voor industriële toepassingen betere gistcellen te kunnen ‘ontwerpen’. Hulp van informatici is echter geboden, want de microbiologen verdrinken in de informatie.
De moleculaire biologie beleeft spannende tijden. Nieuwe experimentele technieken maken het mogelijk om alle genetische informatie, ieder eiwit en elk reagerend stofje in een cel te meten. Bij de nieuwe ontdekkingen vliegen de neologismen je om de oren: genoom, proteoom, metaboloom, fluxeoom. Het achtervoegsel ‘oom’ -dat zoveel betekent als ‘het geheel van ‘- is bijna een must.
Dat is geen toeval. ,,Het onderzoek van de cel wordt steeds holistischer”, zegt prof.dr. Jack Pronk, hoogleraar in de industriële microbiologie bij het Kluyverlaboratorium. ,,Dat klinkt misschien wat new age-achtig”, verontschuldigt hij zich, ,,maar betekent gewoon dat we een beeld proberen te krijgen van het geheel aan gebeurtenissen dat in de cel plaatsvindt.”
Traditioneel onderzoeken industriële microbiologen een miniem stukje van het reactienetwerk in een levende cel. Door detailstudies aan elkaar te koppelen hopen ze de knelpunten te ontdekken in het ingewikkelde netwerk van honderden reacties. Wat beperkt bijvoorbeeld de productie van koolstofdioxidegas door gist tijdens het rijzen van brood?
,,Je loopt met zulk reductionistisch (versimpeld % red) onderzoek snel tegen beperkingen aan”, aldus Pronk. Levende cellen zijn zo complex dat een stofje uit een heel ander gedeelte van het reactienetwerk roet in het eten kan gooien. Zo’n stofje van elders blijkt soms de reactiesnelheid in het bestudeerde knelpunt te regelen.
Krap een jaar terug kreeg de onderzoeksgroep van Pronk en Kuenen een gouden kans om de gistcel als geheel te gaan bestuderen. In een evaluatie werd het onderzoek van de groep als zeer goed beoordeeld en kwam het laboratorium in aanmerking voor een subsidie van het college van bestuur voor de aanschaf van een Affymetrix genechip-apparaat. Dat apparaat is voor microbiologen wat een Harley Davidson voor de motorliefhebber is.
De genechip meet heel nauwkeurig welke genetische informatie de cellen gebruiken %oftewel welke genen worden ‘aangezet’- om te kunnen overleven in hun huidige omgeving. Zo moet gist in een voedselarme omgeving een zeer efficiënt opnamesysteem aanmaken en dus zijn de genen die daarvoor zorgen heel actief. In tijden van overvloed besteden gistcellen liever geen nutteloze energie aan een beter opnamesysteem en groeien ze liever hard. In die cellen zijn dus juist de genen die voor groei zorgen superactief. En zo verraden ze hun functie aan de onderzoekers.
Pronk en collega’s gebruikten twee jaar terug al genechip-gegevens uit Californië om te bepalen welke gistgenen een rol speelden bij de groei van gist zonder zuurstof, door te vergelijken welke genen in een omgeving zonder zuurstof wel actief waren en in een omgeving met zuurstof niet. Amerikaanse onderzoekers waren geïnteresseerd in een samenwerking met de Delftenaren omdat die gistcellen kunnen laten groeien in een goed gedefinieerde omgeving met bijvoorbeeld een constante hoeveelheid van allerlei voedingsstoffen.
Bij het bestuderen van het effect van een mutatie in het genetisch materiaal op de gehele cel is het namelijk belangrijk dat slechts één parameter verandert en alle andere constant blijven. ,,Anders weet je niet naar welk effect je kijkt”, zegt Pronk. ,,Stel dat de cellen in een kweek door een mutatie langzamer groeien en daardoor minder zuurstof verbruiken. Dan stijgt de zuurstofconcentratie in je reactor. Als je die zuurstofspanning niet nauwkeurig regelt dan bestudeer je misschien de invloed van zuurstof op de genen en niet die van de mutatie.”
Recalcitrant
,,Een andere mogelijkheid voor nieuw onderzoek met de genechip is het omgekeerde ontwerp van het reactienetwerk”, vervolgt Pronk. Microbiologen proberen al jaren om het reactienetwerk in de cel met genetische ingrepen gericht te veranderen. ,,Dit mislukt vaak, omdat cellen recalcitrant zijn; ze werken veranderingen tegen.”
Een alternatieve aanpak is om de micro-organismen onder zulke strikte omstandigheden te kweken, dat ze zich wel moeten aanpassen om te overleven. Door dan met de genechip te meten hoe de cel zelf zijn reactienetwerk heeftaangepast, kun je leren hoe je de cel voor een bepaald doel moet veranderen. Deze aanpak zal onder andere worden toegepast om voor de industrie gistcellen te ‘ontwerpen’ die op nieuwe voedselbronnen kunnen groeien.
Pronk herinnert zich de eerste keer dat hij met de resultaten van een genechip-meting werd geconfronteerd. ,,De hoeveelheid informatie van één meting is tegelijk een feest en een nachtmerrie. Ik zat tot diep in de nacht met kleine oogjes naar al die data te staren.” Die gaven aan welke van de duizenden genen ‘aangeschakeld’ of, zoals biologen zeggen, ’tot expressie gebracht’ waren.
Expressie
Datamining, het vinden van verbanden in de berg aan resultaten van de genechips, overstijgt het vakgebied van de microbiologie. Reden om hulp te vragen aan onderzoekers van de sectie informatie- en communicatietheorie van ITS.
Dr.ir. Marcel Reinders, universitair hoofddocent, en dr.ir. Lodewyk Wessels, postdoc, hebben al enkele jaren ervaring met de analyse van grootschalige biologische informatie. Reinders: ,,Wij zouden binnen het Dioc-programma Intelligent Molecular Diagnostic Systems patroonherkenning toepassen op beelden van chips met daarop minuscule putjes waarin biochemische reacties plaatsvinden. Die chips moesten nog ontwikkeld worden. Terwijl we op die data wachtten analyseerden we voor Amerikaanse kankeronderzoekers de expressie van genen in tumorcellen.” De informatici merkten dat de analyse van genetische data een snel groeiend gebied was en verlegden hun eigen werkterrein.
Nu de groep van Pronk genexpressie-metingen gaat doen, willen Reinders en Wessels graag helpen bij het verwerken van de data. Reinders benadrukt dat het niet de bedoeling is dat hun computerprogramma’s kant-en-klare biologische verklaringen uit de data gaan distilleren. Wessels: ,,Je kunt bijvoorbeeld wel in genexpressiedata van opeenvolgende monsters op zoek naar genen die hetzelfde expressiepatroon in de tijd laten zien.” Dat geeft een aanwijzing dat de genen mogelijk een gemeenschappelijke functie hebben.
Nadat het Affymetrix genechip systeem begin dit jaar arriveerde, duurde het een half jaar voordat een gekwalificeerde bemanning was gevonden. In september gingen de Australiër Matthew Piper en een Franse collega-postdoc met het apparaat aan de slag. Hun eerste taak was om de reproduceerbaarheid van de uitkomsten te controleren. ,,We hebben de genexpressie in gist uit twee onafhankelijke kweken vergeleken. Op de 6400 genen waren er slechts bij vijftig genen afwijkende meetgegevens”, zegt Piper enthousiast. ,,Bij het uitvoeren van de monstername en de preparatie van de genechip door twee verschillende personen was het verschil zelfs nog iets kleiner.” Hij is klaar voor het eerste echte experiment. De kennisontdekking kan beginnen.

Comments are closed.