Ingenieuze genen

Wie de kranten heeft gelezen in de afgelopen maanden, zou kunnen denken dat de mensheid genetisch is gediskwalificeerd. Wij hebben hooguit 40.000 genen, misschien zelfs maar 30.000. Dat is twee keer zoveel als een simpele worm van 1.000 cellen zonder armen, benen of hersenen. Zijn wij nu gedegradeerd, omdat we maar 40.000 genen hebben in plaats van 140.000, zoals veel mensen (ik ook) lange tijd hebben gedacht?

Uiteraard niet. Meer is niet beter. We wisten al lang dat kikkers veel meer DNA hebben dan mensen en toch lezen kikkers geen columns. Het kleine aantal genen bevestigt alleen een trend die al lang zichtbaar was. In de evolutie van simpele organismen naar meer complexe worden niet alleen meer genen ingezet, maar ook de bestaande genen worden steeds ingenieuzer gebruikt. Het is als de gezondheidszorg in de jaren '90. Het budget neemt maar weinig toe, terwijl het aantal taken aanzwelt. De bestaande mensen moeten daardoor steeds meer doen en steeds effectiever samenwerken. Zo ook in ons genoom. Onze DNA-taal oogt wel simpel met zijn monotone afwisseling van 4 letters A, T, G en C, maar daarmee worden complexe Battus-teksten gemaakt, die op allerlei manieren gelezen kunnen worden. De tekst kan op verschillende plaatsen worden gestart en gestopt, woorden kunnen worden overgeslagen of op twee manieren worden gelezen, één gen kan soms een hele serie boodschappen bevatten. Uw genen zijn ingenieuzer dan u wellicht dacht.

Geen reden tot treurnis dus. Het verbaast mij daarom dat verstandige mensen, zoals Stephen Gould, in opwinding kunnen raken over die 40.000 genen. Gould had even niet opgelet en dacht nog steeds dat één menselijk gen voor één genproduct codeert, zoals het meestal bij bacteriën toegaat. In deze krant beweerde Gould op 20 maart daarom: `De instorting van de leer van één gen voor één eiwit tekent de mislukking van het reductionisme voor het complexe systeem dat wij biologie noemen.'

Gould voert voor deze conclusie twee redenen aan: `Ten eerste is de sleutel tot gecompliceerdheid niet meer genen maar meer combinaties en wisselwerkingen tussen minder eenheden code. En veel van die wisselwerkingen (zoals bovendrijvende eigenschappen – emergent properties) moeten worden verklaard op het niveau van hun verschijning, want ze zijn niet alleen uit de afzonderlijke basisbestanddelen te voorspellen. Organismen moeten dus als organismen worden verklaard en niet als optelsom van genen.'

Deze krakkemikkige passage lijkt diepzinnig, maar bevat een open deur. Uiteraard is het geheel meer dan de som van de delen, maar dat geldt niet alleen voor levende organismen, maar ook voor een fiets of een auto. Wie nooit een auto heeft gezien en alle onderdelen krijgt toegestuurd over de post, zal daar niet makkelijk een auto uit kunnen construeren. De auto heeft eigenschappen die niet direct uit de onderdelen zijn af te lezen, emergente eigenschappen. Dat doet echter niets af aan het succes van de consequent reductionistische aanpak die mijn garage volgt bij reparaties (onderdelen inspecteren en, zo nodig, vervangen).

Naar mijn smaak is die tegenstelling tussen reductionisme en complexe systemen in de biologie een pseudo-tegenstelling. Elk serieus biomedisch onderzoek is er op gericht om het functioneren van intacte organismen, mensen, planten, dieren, beter te leren kennen. Mensen zitten ingewikkeld in elkaar: 10 cellen per mens en elke cel weer een klein universum. Die complexiteit maakt het noodzakelijk om een groot aantal onderdelen aan elkaar te passen, maar zonder precieze kennis van de onderdelen valt er niets te passen. Ook waar belangrijke eigenschappen te danken zijn aan netwerkfuncties, zoals bijvoorbeeld de functie van de hersenen, dient men de onderdelen en het functioneren van die onderdelen te kennen om de netwerkfunctie te kunnen reconstrueren. De goede onderzoeker pendelt daarom heen en weer tussen molecuul en cel, tussen cel en muis, tussen muis en muis ecosysteem, totdat de functie van elk molecuul in de intacte muis is opgelost en duidelijk is waarom de muis floreert in mijn tuin, ondanks mijn Abessijnse katers en passerende uilen.

Het tweede argument dat Gould aanvoert voor `de mislukking van het reductionisme' is dat veel eigenschappen van complexe biologische systemen niet te danken zijn aan de natuurwetten, maar aan een unieke historische samenloop van omstandigheden. Onze 40.000 genen vormen maar ongeveer één procent van ons totale genoom. De rest (waaronder bacteriële en virale immigranten en transposons, stukjes DNA die zich kunnen vermenigvuldigen en voortbewegen) `is meer een kwestie van historische toevalligheden dan van voorspelbare, onvermijdelijke gevolgen van natuurwetten', aldus Gould.

Ook dit lijkt mij geen sterk argument tegen reductionisme. Uiteraard zijn complexe systemen afhankelijk van toevalsfactoren, maar dat betekent nog niet dat die toevalligheden zich onttrekken aan de natuurwetten. Er valt vandaag geen weerbericht op te stellen voor 5 juni a.s., maar dat komt echt niet omdat het weer niet voldoet aan de natuurwetten. Hoe weet Gould dat trouwens van die stukken DNA in ons genoom, die afkomstig zijn van bacteriën of virussen? Uiteraard door reductionistisch moleculair biologisch onderzoek. Door proeven, waarbij DNA uit cellen is gehaald, in stukken is geknipt en geanalyseerd. Wat wij begrijpen van ons genoom en van de relatie tussen genen en ziekte is uitsluitend te danken aan een reductionistische benadering. Het holisme heeft nul komma nul bijgedragen.

Al deze loze praat over het humane genoom heeft de aandacht afgeleid van het werk aan bacteriële genomen dat nog steeds fascinerende resultaten oplevert. Vorige maand publiceerde Nature het genenpakket van de leprabacil, een neefje van de tuberkelbacil. De leprabacil dringt menselijke cellen binnen en vermenigvuldigt zich daar langzaam maar zeker, zodat steeds meer cellen doodgaan, van binnenuit opgevreten door deze parasiet. Bijna elke bacterie is met enige moeite wel in de reageerbuis te kweken, maar bij de leprabacil is dat nooit gelukt. Die bacil is kennelijk zo afhankelijk van de precieze samenstelling van de inhoud van onze cellen, dat de reconstructie van die leefomgeving in de reageerbuis niet wil lukken.

Het genenpakket van de leprabacil laat nu zien hoe dat komt. Vergeleken met de tuberkelbacil heeft de leprabacil meer dan de helft van alle genen verloren, ruim tweeduizend genen. De helft van die genen is helemaal verdwenen, de andere helft is nog aanwezig als wrakken, pseudo-genen genoemd. Die genen werken niet meer, maar net als een autowrak kun je nog zien wat vroeger hun functie is geweest en met welk gen bij neef tuberkelbacil elk van die pseudo-genen correspondeert.

Die leprabacil met zijn uitgedunde genoom gebruikt onze cellen als verzorgingstehuis en laat zich als een prinsje verzorgen. Omdat onze cellen de boodschappen doen en alles aandragen wat een leprabacil nodig heeft om zich te vermenigvuldigen, heeft de bacil een groot deel van zijn eigen activiteiten af kunnen schaffen. De daarvoor benodigde genen zijn verloren gegaan.

Zo werkt de evolutie dus. Genen die geen nuttige functie vervullen raken in de versukkeling, zoals een auto die niet meer gebruikt wordt uiteindelijk wegroest. Het is jammer dat Darwin, die dit allemaal voorspeld heeft toen het nog niet zo voor de hand lag, deze bevestiging van zijn ideeën niet meer zelf heeft kunnen meemaken. Als ik nu eindexamen deed, wist ik het wel: biologie studeren. Er is geen boeiender besteding van de activiteit van onze 40.000 genen.