Enkel-molecuul en centrale dogma’s

Single-molecule techniek, wat is dat eigenlijk? Welnu, een korte inleiding. In de wereld van het hele kleine, het onderzoek naar (de werkingsmechanismen van) het leven, cellen of onderdelen hiervan, loop je vaak tegen zeer moeilijk achterhaalbare vraagstukken aan. Nu zijn er grofweg twee manieren om tegen dit soort vraagstukken aan te kijken.

Berend botje ging uit varen.

Me volledig bewust van het feit dat ik nu generaliseer – daarnaast ook absoluut niet de eerste die hier woorden aan vuil maakt – maar voor het gemak bestaat er de biologen- en de fysici-aanpak. Eerstgenoemden worden

doorgaans geïnspireerd door het enorme complexe wonder der natuur, en trachten dit ook in al haar complexiteit te begrijpen. Een (cel-, medisch-, chemisch-, moleculair-, etc.) bioloog zal in zijn of haar experimenten altijd trachten de (chaotische) werkelijkheid zo dicht mogelijk te benaderen, met alle wanorde en grote hoeveelheid onbekende factoren vandien. Een fysicus echter, is opgeleid om abstracter te denken en wordt doorgaans goedgehumeurd van een wereld waar alles in een formule te bevatten is. Modellen en ‘ideale’ systemen zijn dus het uitgangspunt van deze wetenschappers, waarbij – indien toegepast op biologische systemen – de werkelijkheid soms zo vereenvoudigd wordt dat het er in de verste verte niet meer op lijkt. Nu zal het weinig verrassend zijn dat rasechte biologen dan wel fysici elkaars manier van aanpak op z’n zachtst gezegd nergens op vinden slaan (of: een fysicus gruwelt van de bio-chaos zoals een bioloog gruwelt van formules en de abstracte vereenvoudiging) – maar het feit blijft dat de één niet zonder de ander kan.

“1000 of 1e3?” Vakgebieden gerangschikt op toenemende ‘zuiverheid’ zie ik altijd voor me bij vergelijkingen tussen disciplines. Verder opvallend: Hoe verder naar rechts de discipline van een wetenschapper ligt, hoe meer hij/zij dit doorgaans interpreteert als een superioriteitsindex… (Bron)

Maar goed, het punt van deze korte afdwaling is dat deze twee zienswijzen ook hebben geleid tot twee verschillende manieren van experimenteren en onderzoeken. Wederom een enorme vereenvoudiging van de werkelijkheid, maar de ‘biologenaanpak’ uit zich in het onderzoeken van systemen op macro-schaal; de zogenaamde bulk- of ensemblemetingen waarbij het systeem/eiwit/proces dat je onderzoekt in vele honderdduizenden tot honderden miljoenen maal in je experimenteervolume voorkomt – je meet hierbij dus altijd het gemiddelde gedrag van het systeem. Fysici – met hun drang naar het verkrijgen van eenvoudige, beheersbare systemen – hebben de ontwikkeling van single-molecule experimenten omarmd en voortgestuwd (getuige mijn omgeving in Delft en – bijvoorbeeld – het feit dat een groot deel van de single-molecule biofysici eigenlijk fysici met een uit de hand gelopen biologiehobby zijn). Hierbij meet je echt individuele systemen/eiwitten/processen en dus géén gemiddelde.

Om het voordeel van single-molecule observatie te verduidelijken, een veelgebruikte analogie: de verschillende vaarroutes van de oost- naar westkust van de VS vergelijkend zie je dat sommige boten de korte route via het Panamakanaal nemen (rood), terwijl anderen de veel langere route om het Zuid-Amerikaanse continent bevaren (groen). Het ensemble-gemiddelde hiervan (geel) voert je vervolgens dwars door het amazonewoud en over de zoutvlaktes van Bolivia – en slaat natuurlijk nergens op. Ziehier hoe ensemble-gemiddelde metingen een indicatie geven (de vaarroute loopt in ieder geval niet via de Indische Oceaan), maar de echte werkelijkheid door losse (i.e. single) observaties onthuld wordt. Het nadeel van single-molecule experimenten is dan weer dat je het experiment vaak moet herhalen om statistisch relevante data te verkrijgen (in scheepvaartroutetaal: als je 1 boot zou volgen en hieruit de conclusie trekt dat alle vaarroutes om Zuid-Amerika heen leiden zit je ook weer ver van de werkelijkheid).

Het centrale dogma van de biologie: informatie vloeit van DNA via RNA naar eiwitten, al is de werkelijkheid – surprise, surprise – complexer.

In de Delftse wereld waar schrijver dezes is beland hangt het evenwicht naar de fysici-aanpak; de single-molecule technieken hebben hier het overwicht, de groep is voortgekomen uit fysici die de biologie zijn gaan bestuderen. Veel van de single-molecule experimenten die worden uitgevoerd raken aan wat het centrale dogma van de biologie wordt genoemd; erfelijke informatie van levende organismen zit opgeslagen in het DNA, dit wordt door eiwitten (enzymen om wat nauwkeuriger te zijn) overgeschreven in RNA, waardoor andere enzymen vrij toegang hebben tot deze informatie. Deze enzymen vertalen dit op hun beurt in aminozuurvolgorden; dit zijn de eiwitten waaruit een groot deel van een cel (of een mens uiteraard) is opgebouwd.

Dat dit gebeurt kan ieder biologietekstboek je al jaren in geur en kleur vertellen. Maar hoe precies de interacties van deze nano-kopieerapparaten dan wel ~vertaalmachines, ~typexen, ~prittstiften, enzovoorts met DNA en met elkaar verlopen is ook anno 2012 nog voor een groot deel onbekend terrein. Voorbeelden van single-molecule technieken volgen spoedig!

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *