Op naar de eiwitten!

Het Amerikaanse Department of Energy wil een omvangrijk tienjarig onderzoeksproject starten dat een fundamenteel inzicht moet bieden in het functioneren van de cel. Genomes to Life is de opvolger van de grote dna-sequence-projecten.

Het DNA van de mens en dat van tientallen andere organismen is in kaart gebracht, maar met die informatie in handen begrijpt de wetenschap nog steeds niet hoe het leven op moleculair niveau functioneert. Hoe kan het bijvoorbeeld dat sommige bacteriën niet alleen te kweken zijn, en uitsluitend gedijen in gemeenschap met andere soorten? Het ambitieuze Genomes to Life-programma moet licht brengen in het zwarte gat tussen de `dode' genetische code en het leven.

``We willen honderden, duizenden en misschien wel tienduizenden genen en eiwitten in hun onderlinge samenhang bestuderen, en dat is nu nog niet mogelijk,'' zegt moleculair celbioloog David Thomassen. Hij is programmacoördinator van het Office of Biological and Environmental Research van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). Al twee dagen verblijft hij in de kelder van het sjieke Latham Hotel, in de wijk Georgetown, de karakteristieke Europees aandoende buurt van Washington DC. Het is een komen en gaan van wetenschappers die er hun onderzoeksvoorstellen presenteren, in de hoop dat deze gehonoreerd zullen worden door het ministerie.

Tussen de bijeenkomsten door vindt Thomassen even tijd om het Genomes to Life-programma toe te lichten. Deze herfst moet het Amerikaanse Congres het budget voor deze tien jaar durende onderzoeksinspanning goedkeuren. Joviaal, zijn grijzende haar in een krullende paardenstaart achter zijn hoofd gebonden en de mouwen opgestroopt, gaat Thomassen er eens voor zitten. ``Het gaat hier om Big Science, startend met een budget van bijna 50 miljoen dollar in het eerste jaar, oplopend naar een jaarlijkse som van 200 miljoen dollar'', zegt Thomassen. Hij nipt aan een blikje Diet-coke.

Wat gaat u doen met al dat geld?

``Als eerste willen we eiwitinteracties in kaart brengen. Vaak maken eiwitten deel uit van ingewikkelde complexen. Ze hebben tientallen interacties met andere eiwitten. En veel mensen denken dat er, net zoals we genen met een zelfde functie in verschillende diersoorten kennen, ook dezelfde multi-eiwitcomplexen bestaan bij verschillende soorten. We weten al dat dat opgaat voor genen die heel fundamentele functies in de cel hebben; voor de energiehuishouding, voor de reparatie van schade in het DNA, of voor de vermenigvuldiging van het DNA. Deze zijn gedurende de evolutie bewaard gebleven, van bacteriën en gist tot aan de hogere organismen. De ontrafeling van eiwitinteracties brengt ons op een veel hoger niveau van biologie?

``In de regel- en controlemechanismen in de cel zitten waarschijnlijk wèl grote verschillen tussen lagere en hogere organismen. Het heeft velen verrast dat het menselijke genoom in plaats van 100.000 of 150.000 waarschijnlijk maar dertig- tot veertigduizend genen heeft. Dat is krap twee keer zoveel als de simpele worm. Door andere regelmechanismen kan een klein aantal genen toch een complex organisme als de mens voortbrengen, door gevarieerder gebruik van de genen.''

Veel van dat onderzoek gebeurt al langer. Slaat u met dit programma ook een echt nieuwe weg in?

``Absoluut. De meeste microbiologen bestuderen nu één enkele bacteriesoort tegelijk. Ze richten zich meestal alleen op bacteriën die ze in het laboratorium kunnen kweken, omdat het dan veel makkelijker is om ze te onderzoeken. Maar het overgrote deel van de bacteriën in de natuur leeft in grote consortia, samenlevingen van heel veel verschillende micro-organismen. Dit kan wel eens de belangrijkste reden zijn dat we de meeste ervan niet in een reincultuur kunnen krijgen. De organismen zijn van elkaar afhankelijk en als je er één isoleert, overleeft die niet. Om toch deze bacteriën te kunnen bestuderen, willen we de zogeheten shotgun-technologie op de complete microbiële populatie loslaten. Deze sequentie-technologie heeft zich bewezen bij het ontrafelen van het menselijk genoom. Het DNA wordt daarbij in duizenden overlappende fragmentjes geknipt die na de volgordebepaling met hulp van de computer aan elkaar gepast kunnen worden.

``Als met deze technologie een hele leefgemeenschap analyseert, is het niet nodig om alle puzzelstukjes aan elkaar te passen tot de complete genomen van vijf, tien of twintig individuele micro-organismen, maar dan volstaat het om te weten wat voor soort genen zich bevinden in die gemeenschap. Daaruit kunnen we afleiden welke functionele capaciteit die gemeenschap als geheel kan hebben. Om te beginnen nemen we eenvoudige consortia. In een ondergronds milieu waar we de bodem willen reinigen, kunnen we zo bijvoorbeeld bekijken of er genen aanwezig zijn voor het opruimen van metaalionen.''

Dus dan weet je helemaal niet welke bacteriën zich in die populatie bevinden?

``Het kan zijn dat je dat terloops te weten bent gekomen, maar het zal er in eerste instantie niet toe doen. Je kan er via het analyseren van alle genen van alle organismen ook achter komen welke voedingsstoffen geschikt zijn voor deze microbiële gemeenschap. Je zou bepaalde voedingssupplementen aan de omgeving kunnen toevoegen om bepaalde processen te stimuleren of juist af te remmen.

Waarom financiert het ministerie van energie dit type fundamenteel biologisch onderzoek? Wat heeft de energievoorziening met biologie te maken?

``Het biologisch onderzoek bij DOE is ontsproten aan studies naar de gezondheidseffecten van radioactieve straling, dat op gang kwam na het afwerpen de eerste atoombommen op Japan. Om ook de subtiele genetische effecten van lage doses straling te onderzoeken ontwikkelde het onderzoek zich steeds meer in richting moleculaire biologie. De hier verzamelde kennis en ervaring leidde ruim tien jaar geleden tot de start van het Humane Genoomproject en nu ook tot Genomes to Life.

``Het DOE heeft ook allerlei faciliteiten voor dit soort onderzoek; er is het Joint Genome Institute en we zijn eigenaar van diverse synchrotrons. Met de straling daaruit kunnen molecuulstructuren in beeld kunnen worden gebracht. Bovendien hebben we vanouds een grotere flexibiliteit om risicovol onderzoek te financieren dan bijvoorbeeld NIH. Wij zijn vaak de eerste die iets beginnen, waarna anderen het overnemen.''

Is het niet erg omslachtig om milieuproblemen op te lossen via het sequencen van een heel organisme of een complete populatie, als je toch maar een paar nuttige genen eruit wilt vissen?

``Sequencen is heel goedkoop en heel snel geworden. Dat geldt speciaal voor micro-organismen. Voor grote organismen, zoals als de mens of de muis, vergt dat nog wel steeds een sustantiële investering van tijd en geld.

``Het Joint Genome Institute (JGI) van DOE heeft nu zijn eerste `Microbe Month' achter de rug. In zo'n periode zet het instituut al zijn sequence-capaciteit in voor het in kaart brengen van het DNA van micro-organismen. Tijdens de Microbe Month van vorig jaar oktober zijn vijftien micro-organismen gesequenced. Het kost dus maar anderhalve dag om de complete DNA-volgorde van een micro-organisme te bepalen. Het is echt makkelijker om een heel organisme te sequencen dan eerst een gen op te sporen en daar de volgorde van te bepalen.

``Stel je bent geïnteresseerd in een gen dat metalen omzet in een onoplosbare vorm zodat ze niet meer naar het grondwater kunnen uitlekken. Je kent wellicht één van de betrokken genen, maar in het regelnetwerk van de bacterie dat bij dat proces actief is zijn misschien wel vijftig genen betrokken. Je weet vooraf niet hoeveel het er zijn. Het is dus nuttig om alle informatie vanaf het begin bij elkaar te hebben.''

Zullen er nog meer genomen in kaart worden gebracht?

``We zullen nog steeds wel wat sequencing blijven doen, maar het grootste deel van het geld zullen we nu besteden aan de meer functionele onderzoeken. Toch zullen we nog steeds jaarlijks twee of drie Microbial Months op het JGI blijven organiseren. Dat betekent dat de genoomlijst telkens met 15 organismen groeit.''

Waar staan we over tien jaar, na afloop van het Genomes to Life-programma?

``Tja. Ik denk dat we dan veel meer weten over complexe processen die zijn betrokken bij de regulatie van complete stofwisselingsroutes in de cel. Voor simpele organismen hebben we misschien zelfs complete kaarten met alle genregulatiemechanismen in de cel. Een deel van die informatie zullen we ook voor enkele ingewikkelder organismen hebben: niet voor het hele genoom, maar wel voor grote delen van belangrijke moleculaire routes in de cel. Tegen die tijd weten we ook veel meer van de `moleculaire machines', de samenwerkende eiwitcomplexen in de cel. Sommige wetenschappers schatten dat er niet meer dan vijf- tot tienduizend van deze moleculaire machines bestaan. Nu kennen we er een paar, maar dan zullen we er enkele duizenden in detail kennen. We zullen in staat zijn in `real time' te zien hoe deze dingen werken en waar ze naar toe gaan in de cel. We kijken dan naar een soort `moleculaire film' van de werking van deze molecuulcomplexen.

``Èn we zullen begrijpen hoe een groot aantal van die microbiële consortia in bodemmilieus en in waterige milieus zijn georganiseerd, waartoe ze in staat zijn en hoe ze kunnen worden beïnvloed om nuttig te worden gebruikt.

http://doegenomestolife.org/