Nobelprijzen medicijnen, fysica en chemie 1993

Een briljante inval in de auto, een vruchtbaar idee tijdens de koffiepauze, een gezochte en een ongezochte vondst. De Nobelprijzen chemie, fysica en medicijnen gaan dit jaar naar drie tweetallen uit Engelssprekende landen en bekronen wapenfeiten uit de jaren zeventig en de vroege jaren tachtig.

Scheikunde

De Nobelprijs Scheikunde werd gistermiddag toegekend aan de Amerikaan Kary Mullis en de Canadees Michael Smith, voor hun ontwikkeling van revolutionaire nieuwe technieken in het DNA-onderzoek.

Kary Mullis kreeg de prijs voor zijn uitvinding van de polymerase kettingreactie (PCR). Deze techniek voor het snel en simpel kopiëren van gespecificeerde stukjes DNA ontketende in de tweede helft van de jaren tachtig een compleet nieuwe DNA-doorbraak. De methode wordt tegenwoordig overal ter wereld routinematig toegepast - onder meer in het kanker- en erfelijkheidsonderzoek, de DNA-diagnostiek, de forensische wetenschap en de studie van moleculaire evolutie.

Kary Mullis staat onder collega's te boek als geniaal, maar tegelijk "een beetje maf'. Zichzelf omschrijft hij als een "generalist met een chemisch vooroordeel'. Ooit publiceerde hij een artikel in Nature over "de kosmologische betekenis van tijdsomdraaiing' en vond hij een plastic uit dat van kleur verschiet als het wordt beschenen met ultraviolet licht.

Mullis is sinds 1986 directeur Moleculaire Biologie van het bedrijf Xytronyx, Inc. in San Diego. Hij houdt er een Californische levensstijl op na. Toen hij gisteren telefonisch van zijn Nobelprijs op de hoogte was gebracht, hing hij op met de mededeling ""Nu moet ik een uurtje surfen om wakker te worden''.

Efficiënte vermeerdering van specifieke fragmentjes DNA is een vereiste voor modern moleculair-genetisch onderzoek. Wil men met een gen proeven doen dan moet men het in grote hoeveelheden en gezuiverd in handen hebben. In de "klassieke' recombinant-DNA technologie uit de jaren zeventig kon men DNA-fragmenten uitsluitend vermeerderen langs een omweg: door klonering in een micro-organisme. Men smokkelde de fragmentjes via moleculair knip- en plakwerk mee in het DNA van bijvoorbeeld een bacterie of een gistcel, en liet deze zich in een broedstoof vermenigvuldigen. Bij elke deling verdubbelde niet alleen de hoeveelheid cellen, maar ook het DNA. De miljarden nakomelingen bezaten elk het gewenste fragmentje. Maar om daarmee aan de slag te gaan moest men het eerst zuiveren. Dat werkte maar was omslachtig.

De PCR-techniek maakt deze hele kloneringsomweg overbodig en bespaart daardoor zeeën van tijd, geld en energie. Het basisidee is eenvoudig: laat het hele micro-organisme weg en gebruik alleen naakt DNA en de vereiste enzymen, en zorg er bovendien voor dat die niet alleen het oorspronkelijke fragmentje kopiëren maar ook de kopieën, de kopieën van de kopieën, enzovoorts. Omdat elke stap in principe tot een verdubbeling leidt, krijg je uit één uitgangsfragment na 10 stappen zo in principe al 2(ca. 1000) en na 30 stappen 2 (een miljard) kopieën.

Aan de praktische uitvoerbaarheid van de PCR-techniek liggen een paar handige trucjes ten grondslag, maar het basisidee is zo kinderlijk eenvoudig dat het achteraf verbazend is dat er voor Mullis niemand op is gekomen. Alle benodigde ingrediënten van de techniek waren al zo'n 15 jaar voorhanden toen Mullis hem in een brainwave tijdens een nachtelijke autorit door de Californische Sequoia-bossen in april 1983 concipieerde.

De in Engeland geboren Canadees Michael Smith krijgt zijn aandeel in de chemie-prijs voor zijn bijdragen aan de ontwikkeling van de zogeheten "omgekeerde genetica'. Hij bedacht een techniek voor het gericht aanbrengen van veranderingen in de DNA-volgorde van genen in levende organismen, waardoor de functie van die genen beter kan worden bestudeerd. Smith is directeur van het Laboratorium voor Biotechnologie aan de Universiteit van Brits Columbia in Vancouver.

Om de functie van een gen grondig te leren kennen moet men het kunnen veranderen of muteren. Vroeger, toen men in de genetica nog uitsluitend werkte met simpele organismen als bacteriën, gisten en fruitvliegjes, was het vinden van mutanten eenvoudig. De generatietijd was zo kort en het aantal nakomelingen per generatie zo groot, dat men de gewenste mutaties gewoon kon isoleren en met elkaar vergelijken.

De veel complexere organismen die men nu graag bestudeert (zoals muizen en mensen), lenen zich niet voor dit soort analyse. Wachten op een zeldzame mutant en vervolgens het gemuteerde gen bestuderen en de DNA-volgorde bepalen is niet efficiënt. Daarom werkt men nu steeds vaker andersom: van DNA-volgorde naar functie.

Door de genetische code gericht te herschrijven en het veranderde gen terug te stoppen in het organisme, kan men de functie van een gen veranderen. De "foute' DNA-letters in het gen leiden tot afwijkende aminozuren in het eiwitprodukt en het veranderde gedrag van het eiwit verraadt iets over de normale functie in de cel. Daarnaast kan men langs deze weg ook nuttige eiwitten maken met nieuwe eigenschappen, zoals antilichamen tegen kankercellen.

Deze zogeheten gerichte mutagenese heeft zeer brede toepassingsmogelijkheden - van het maken van een kunstmatige bloedeiwitten tot gentherapie. De krachtigste methode is die van Smith, ontstaan uit een idee tijdens een koffiepauze in Cambridge in 1977. Smith's protocol maakt gebruik van korte, synthetische stukjes DNA met gespecificeerde lettervolgorde, gemaakt in een "DNA synthesizer' of gene machine. De techniek stelt de onderzoeker in staat om elke verandering in het DNA aan te brengen die men wil, op elke gewenste plek, en het veranderde DNA vervolgens terug te stoppen in het organisme om te kijken wat het doet. Net als de PCR van Mullis is de methode niet meer uit het DNA-onderzoek weg te denken.

Natuurkunde

De Nobelprijs natuurkunde ging gisterochtend naar de Amerikaanse astronomen Joseph Taylor en Russell Hulse van Princeton University. Ze delen de prijs voor hun ontdekking, in 1974, van de eerste binaire pulsar. Deze vondst was van bijzondere betekenis omdat ze een indirect bewijs leverde voor het bestaan van zwaartekrachtsstraling.

Taylor en zijn toenmalige promovendus Hulse ondernamen in de zomer van 1974 een systematisch speurtocht naar nieuwe pulsars met de 300-meter radiotelescoop in Aricebo in Puerto Rico. Hulse deed de waarnemingen, Taylor hield toezicht en pendelde op en neer naar de Universiteit van Massachusetts in Amherst waar ze toen nog verbonden waren.

Pulsars zijn kleine, snel om hun as draaiende neutronensterren, de ingestorte restanten van opgebrande gewone sterren. Ze hebben een massa vergelijkbaar met die van de zon, maar dan samengebald in een bol met een straal van maar 10 à 15 kilometer. Pulsars zijn een soort kosmische radio-vuurtorens. Ze zetten een deel van hun kinetische energie om in radiostraling, die in twee ronddraaiende bundels het heelal in wordt geslingerd. De eerste werd in 1967 ontdekt door de Britse promovenda Jocelyn Bell en leverde haar baas Anthony Hewish in 1974 de Nobelprijs op.

Hulse had al zo'n 40 nieuwe pulsars ontdekt toen hij op 2 juli een zwak pulserend radiosignaal oppikte in het sterrenbeeld Arend. De frequentie van de pulsen was ongewoon hoog. Drie weken zocht Hulse het signaal weer op. Tot zijn ergernis klopte er iets niet: de frequentie was nu anders. Misschien waren de meetgegevens onbetrouwbaar - het signaal was ook zo zwak dat de piekjes nauwelijks uit de omringende ruis omhoog staken.

Toch besloot Hulse om de 16.000 lichtjaar verre pulsar - die naar zijn hemelcoördinaten PSR 1913 + 16 was gedoopt - verder te volgen. En al gauw ontdekte hij dat de pulsfrequentie cyclisch varieerde, met een cyclustijd van 7,75 uur. Aangenomen dat de werkelijke frequentie net als die van andere pulsars constant was, kon hiervoor maar een verklaring voor zijn: het Doppler-effect. De pulsar bewoog zich beurtelings naar de aarde toe, waarbij de pulsjes dichter op elkaar werden gedrukt, en er vanaf, waarbij de pulsjes uit elkaar werden getrokken. Zo'n oscillerende beweging duidde op de aanwezigheid van een onzichtbare metgezel. De pulsar, kortom, was een neutronendubbelster.

Uit het radiosignaal wisten Taylor en Hulse precies de baangegevens van het "binaire systeem' te destilleren en daaruit weer de massa's van de beide lichamen af te leiden. En met die gegevens hadden ze plotseling een ideaal testsysteem in handen voor de verificatie van het bestaan van zwaartekrachtsgolven. Gravitatiegolven waren al in 1916 voorspeld door Albert Einstein: uit diens algemene relativiteitstheorie volgt dat bewegende massa in versnelling energie in deze vorm uit moet stralen. Helaas zijn de voorspelde golven zo zwak dat niemand ze tot dusver kon detecteren.

De binaire pulsar van Taylor en Hulse bevat twee zware massa's in continue versnelling om hun gemeenschappelijke zwaartepunt draaien. Volgens Einstein verliezen ze daarbij een deel van hun energie in de vorm van zwaartekrachtsstraling, waardoor ze in een steeds hogere snelheid naar elkaar toe moeten spiraliseren. De omloopperiode zou daardoor elk jaar een paar miljoenste seconde moeten afnemen. En die afname zou te meten moeten zijn door de dubbelpulsar enkele jaren te volgen.

Dat deden Taylor en Hulse, en al in 1978 konden ze bekend maken dat hun dubbelpulsar inderdaad precies versnelt zoals door Einstein voorspeld. Theorie en waarneming stemmen overeen met een nauwkeurigheid van minder dan 1%. Bovendien is de waargenomen versnelling in directe tegenspraak met voorspellingen van een aantal rivaliserende zwaartekrachtstheorieën.

Geneeskunde

De Nobelprijs fysiologie of geneeskunde ging maandag naar de moleculair-biologen Phillip Sharp en Richard Roberts, voor hun gelijktijdige ontdekking in 1977 van de zogeheten gespleten genen.

Sharp en Richards waren destijds bezig om de boodschapper-RNA moleculen van een adenovirus in kaart te brengen. Boodschapper-RNA is de bemiddelaar tussen de DNA-code en het celsap waar die wordt gebruikt. Het DNA is als een bibliotheek waar niet wordt uitgeleend maar wel mag worden gekopieerd. De boodschapper-RNA's zijn afschriften die in het celsap voorschrijven in welke volgorde aminozuren tot eiwitten moeten worden aaneengeregen. Sharp en Richards spoorden van alle boodschapper-RNA's die ze in geïnfecteerde cellen konden vinden de precieze herkomst op het virus-DNA op.

Tot hun verbazing voinden ze, onafhankelijk van elkaar en met verschillende technieken, iets ongerijmds: sommige boodschapper-RNA's bleken afkomstig van verschillende, niet aaneengesloten delen van het virus-DNA. Met andere woorden: het DNA werd onderbroken door stukken die niet in het boodschapper-RNA waren terug te vinden. De adenovirus-genen waren dus gespleten, in tegenstelling tot alle genen uit micro-organismen die tot dan toe ware bestudeerd.

Sindsdien heeft men ontdekt dat ook de meeste genen van de "hogere' planten en dieren onderbroken zijn. De weggevallen stukken noemt men introns, de coderende stukken exons. Het aantal introns per gen varieert tussen nul en tientallen, de lengte van de introns van 31 tot meer dan 200.000 genetische "letters'.

Het bleek dat het DNA in de celkern aanvankelijk wel wordt overgeschreven tot een compleet boodschapper-RNA (dus met introns), maar dat die introns nog voordat ze de celkern verlaten worden verwijderd, in een proces dat splicing (splitsen) wordt genoemd. Op specifieke punten wordt de RNA-streng doorgeknipt, worden de introns eruit gegooid en de uiteinden van de exons weer aan elkaar geplakt.

Splitsen (een zeilterm voor het in elkaar vlechten van stukjes touw) is een toepasselijke term voor dit omslachtige proces, waarbij in de celkern een complexe machinerie van assisterende moleculen betrokken is. Niettemin is gebleken dat sommige boodschapper-RNA's hun introns ook zelf kunnen verwijderen.

Wat de ontstaansoorzaak en de evolutionaire geschiedenis van introns kan zijn geweest is onderwerp van speculatie. Een afdoend antwoord is er niet. De ontdekking van Sharp en Roberts is vooral van fundamenteel biologisch belang, maar is ook van betekenis voor de geneeskunde. Bepaalde erfelijke ziekten, zoals de bloedziekten bèta-thalassemie en chronische leukemie, zijn te wijten aan fouten in het splicingsproces.

    • Felix Eijgenraam