De nanowereld ontrafelen en opbouwen

Om ten diepste te begrijpen wat zich in cellen afspeelt, moet je met een microscoop op atoomniveau kunnen kijken. Alleen zo kun je werkelijk zien hoe bijvoorbeeld RNA, de boodschapper-moleculen in een cel, hun ‘opdrachten’ ontvangen van DNA waarin de genetische eigenschappen zijn vastgelegd.

Het probleem is dat je met licht niet verder komt dan een resolutie van 200 nanometer, althans niet zonder dat de fotonen de te onderzoeken moleculen beïnvloeden.

Lichtpatronen

Daar bestaan echter een weg omheen, legde eredoctor Xiaowei Zhuang van Harvard University uit. Door te variëren met de lichtpatronen en door heel veel opnamen te combineren kun je een resolutie van 2 nanometer halen. “Maar dat werkt niet als de atomen overlappen, wat in levende materie doorgaans het geval is”, aldus Zhuang.

“Bovendien willen biologen drie dimensies waarnemen, niet slechts twee. Wij hebben laten zien dat je, door gebruik te maken van fluorescerende eigenschappen van moleculen, resoluties tot 20 nanometer in het platte vlak kunt halen en 50 nanometer in de diepte.”

Sinds ze de methode van de nanoscopie tien jaar geleden voor het eerst publiceerde, heeft Zhuang er veel nieuwe vondsten mee gedaan. “Dat moet ook, want als je er geen nieuwe kennis mee kunt verwerven is een methode zinloos. Een mooi voorbeeld vind ik onze ontdekking dat axons, de lang uitlopers van zenuwcellen, om de 180 nanometer een ring van actinemoleculen hebben, die zorgen voor structurele stevigheid ervan.”

Biologische meccanodoos

De kennis die uit nanoscopische methoden, zoals die van Zhuang, voortkomt, vindt onder meer toepassing in de synthetische biologie. Die stelt zich tot doel een biologische meccanodoos samen te stellen waaruit nieuwe organismen gevormd kunnen worden.

Zo is het bijvoorbeeld gelukt om de twaalf chemische stappen van glucose naar ethanol in een gistcel te analyseren, de 27 betrokken enzymen en bijbehorende genen te achterhalen, en vervolgens die genen te verhuizen naar één chromosoom.

Uiteindelijk moet het mogelijk zijn om zo het complete metabolisme van een gistcel op één chromosoom te zetten. De gedachte is dat je de gistcel vervolgens eenvoudiger kunt ombouwen tot een fabriekje voor bijvoorbeeld medicijnen.

Abstractiesprong

Eredoctor Drew Endy van Stanford University, één van de pioniers van het veld, voorspelde dat de mensheid binnen enkele generaties extreem goed zal worden in de beheersing van levende materie. “De vraag is: wat doen we er dan mee? Een bedrijf als Dupont verwacht dat binnen enkele decennia al zijn processen op biologie gebaseerd zullen zijn. Maar gaan we de biologie industrialiseren? Ik kan me ook goed voorstellen dat mensen componenten en ontwerpen downloaden om hun eigen producten te maken.”

Voor het zover is, is nog een grote abstractiesprong nodig, betoogde Endy. Er is tenslotte een groot verschil tussen het synthetiseren van één proces en het beschikbaar maken van een toolbox waarmee je in principe alles zou kunnen maken. Endy: “Tien jaar geleden geloofde men niet dat je biologie modulair kon maken, want alles hing met alles samen. Nu is de vraag niet of, maar wanneer.”

Delftse studenten

Een link tussen beide onderdelen van het symposium werd gelegd door de Delftse studenten Charlotte Koster en Carmen Berends, die vorig jaar verschillende prijzen wonen tijdens de internationale iGem-wedstrijd voor synthetische biologie, met hun bacterie die als laser en als lens kan werken.

Dat deden ze door een gen in te bouwen dat een enzym aanmaakt voor de productie van silicaat, waardoor het membraan van de bacterie een glazen spiegel werd. Het resultaat kan allicht weer helpen bij het verhogen van de resolutie van beelden op nanoniveau.

Abstractiesprong

Eredoctor Drew Endy van Stanford University, één van de pioniers van het veld, voorspelde dat de mensheid binnen enkele generaties extreem goed zal worden in de beheersing van levende materie. “De vraag is: wat doen we er dan mee? Een bedrijf als Dupont verwacht dat binnen enkele decennia al zijn processen op biologie gebaseerd zullen zijn. Maar gaan we de biologie industrialiseren? Ik kan me ook goed voorstellen dat mensen componenten en ontwerpen downloaden om hun eigen producten te maken.”

Voor het zover is, is nog een grote abstractiesprong nodig, betoogde Endy. Er is tenslotte een groot verschil tussen het synthetiseren van één proces en het beschikbaar maken van een toolbox waarmee je in principe alles zou kunnen maken. Endy: “Tien jaar geleden geloofde men niet dat je biologie modulair kon maken, want alles hing met alles samen. Nu is de vraag niet of, maar wanneer.”

Delftse studenten

Een link tussen beide onderdelen van het symposium werd gelegd door de Delftse studenten Charlotte Koster en Carmen Berends, die vorig jaar verschillende prijzen wonen tijdens de internationale iGem-wedstrijd voor synthetische biologie, met hun bacterie die als laser en als lens kan werken.

Dat deden ze door een gen in te bouwen dat een enzym aanmaakt voor de productie van silicaat, waardoor het membraan van de bacterie een glazen spiegel werd. Het resultaat kan allicht weer helpen bij het verhogen van de resolutie van beelden op nanoniveau.