Bart Bruininks: „Waar ik op uit kom is: zo’n kleine cel, die zouden we misschien wel kunnen simuleren.”

Foto Kees van de Veen

Interview

‘Als je genoeg atomen op de juiste manier bij elkaar brengt, ontstaat er op een gegeven moment leven’

Bart Bruininks | moleculair bioloog Hoe werkt een menselijke cel? Kun je hem nabouwen, atoom voor atoom? Bart Bruininks zocht het uit.

‘Het liefst zou ik mezelf simuleren”, zegt Bart Bruininks op de achtste verdieping van de Linnaeusborg, een onderzoeksgebouw van de Rijksuniversiteit Groningen. Daar werkte Bart Bruininks (31) vier jaar lang aan zijn promotieonderzoek, hij promoveerde vorige maand. Hij droomt ervan om leven tot op atomair niveau te simuleren, om te begrijpen hoe leven ontstaat als levenloos materiaal complexer wordt.

Maar voor nu beperkt Bruininks zich tot de simulatie van één levende cel. Het nabouwen van een cel in een computer heeft voordelen: je kan aan de moleculen zíén hoe de cel werkt. En je kan er digitale experimenten mee doen.

Voor zijn promotie begon Bruininks met enkele onderdelen van de cel. Het celmembraan bijvoorbeeld, de buitenkant van een cel. Of lipoplexen, dna dat met vetten samenklontert en in blaasjes van het celmembraan opgenomen wordt. Wie op een dag álle onderdelen van een cel in een computer kan namaken en combineren, kan zo een werkende cel simuleren.

Hoe exact moet zo’n model zijn, vraagt Bruininks zich af in zijn proefschrift. Een gedetailleerd model is een betere weergave van de werkelijkheid, maar geen computer die het kan berekenen. Een te versimpeld model is makkelijk te berekenen, maar biedt geen inzicht in de werkelijkheid, en is dus nutteloos.

Waarom duik je de computer in als je een cel wil begrijpen?

„Er zijn veel voordelen van een computersimulatie: je kan in driedimensionale objecten kijken, je kan terugspoelen, de computer laat in een logboek precies zien wat je gedaan hebt. En je kan in een computersimulatie bekijken hoe processen verlopen – niet alleen wat de uitkomst is. Maar het blijft natuurlijk een model, dat zal nooit een-op-een overeenkomen met de werkelijkheid.”

Het hangt er nog steeds van af: hoe gedetailleerd wil je de cel modelleren?

Het liefst zou Bruininks een heel mens tot op atomair niveau simuleren in een computer, maar dat is onmogelijk – ook in theorie. Dat berekende hij: tel alle atomen in een mensenlichaam bij elkaar op, bedenk dat ze in een driedimensionale wereld drie kanten op bewegen: dat zijn zo’n 1027 bewegingen (een tien met 27 nullen). Dat is meer informatie dan de sterkste supercomputer kan verwerken. Voorspellen hoe alle atomen in een mens gedurende één seconde bewegen, kost de snelste computer biljarden jaren. En deze berekening is nog een „absolute onderschatting van het probleem”, zegt Bruininks.

Wat heb je precies onderzocht?

„Wat kan er wél? Dat vraag ik me af in mijn proefschrift. Waar ik op uit kom is: zo’n kleine cel, die zouden we misschien wel kunnen simuleren. Die zouden we op atomair detail kunnen afgaan, bolletje bij bolletje, en simuleren als een groot computerspel.”

De benodigde computerkracht voor een enkele virtuele cel is een stuk bescheidener. Een cel bestaat uit ongeveer 1013 atomen die in drie dimensies bewegen. De snelste computer haalt die ondergrens misschien wel, denkt Bruininks.

„Het hangt er nog steeds van af: hoe gedetailleerd wil je de cel modelleren? Als je ook nog wil beschrijven wat er binnen moleculen gebeurt, moet je quantummechanische berekeningen gaan doen. Maar dan kom je nergens – dan kan je alleen een waterstofatoom beschrijven. Hoe minder gedetailleerd of ‘gladder’ je model wordt, hoe minder het klopt, maar hoe sneller de berekening werkt.”

Een model is per definitie een versimpeling van de werkelijkheid, maar jij probeert het leven op atomaire schaal correct na te bouwen. Is jouw beoogde model nog wel een versimpeling?

„Ja, het is nog steeds een model. Op veel vlakken kies ik voor minder detail, wat de snelheid van de berekening gigantisch vergroot. Daardoor zou je grotere fenomenen – hoe de volledige samenstelling van een cel verandert – over de tijd kunnen bekijken. Met als nadeel dat je model tekortschiet als je kleinere details van de cel wil bekijken.

Ik geloof dat als je genoeg atomen op de juiste manier bij elkaar brengt, dat er op een gegeven moment leven ontstaat

„Als je de tijd in de simulatie een paar seconden laat lopen, voorspelt het model op zijn simpelst waar alle moleculen na een paar momenten zijn, en met welke snelheden ze bewegen. Ik zou de cel op zo’n niveau willen simuleren, dat je met experimenten kan leren over de cel. Moleculen moeten daarvoor met elkaar kunnen interacteren. En wat gebeurt er met de cel als je suiker toevoegt? Wat gebeurt met de cel als je de temperatuur verhoogt? Als je bepaalde eiwitten toevoegt, zou het membraan om de cel heen dan bestendig worden tegen hogere temperaturen?

„Het leuke van natuurwetenschappen is dat je er altijd een beetje naast mag zitten. Als je natuurkundig berekent hoe een bal van een kilo door de lucht beweegt, maar per ongeluk 0,9 kilo weegt, zit je er in de uitkomst maar een klein beetje naast. Met onze beperkte inzicht van de complexiteit van het leven, kunnen we toch zinnige uitspraken doen. Dat hoop ik met het model ook te doen.”

Wat is de volgende stap?

„Steeds meer mensen beginnen te denken: die cel, die is wel te kraken. Misschien geen menselijke cel, maar dat idee hangt een beetje in de lucht. Aan het einde van mijn thesis stel ik voor om de cel tot in detail te simuleren om de chemische samenstelling binnen de cel te kunnen bekijken. Dat ga ik zelf doen, aan de universiteit van Illinois, in een samenwerking met Groningen op afstand.”

In je voorwoord praat je over je fascinatie voor de vrije wil en bewustzijn. Hoe kwam dat in je onderzoek naar cellen terecht?

„Dat zijn de dingen die ik interessant vind. Is er iets als god, is er een vrije wil, waarom doe ik de dingen die ik doe? Waar komen we vandaan en waar gaan we heen? En het liefst nog: waarom? Wij mensen vinden dat we bewustzijn hebben, en bestaan uit levenloze atomen. Ik geloof dat als je genoeg atomen op de juiste manier bij elkaar brengt, dat er op een gegeven moment leven ontstaat. Het leven is een bepaalde mate van complexiteit. En misschien is de stap van leven naar bewustzijn dezelfde sprong: als je genoeg levende cellen hebt, worden ze op een gegeven moment zelfbewust. Dat principe wil ik laten zien: dat een levende cel kan ontstaan uit levenloos materiaal.”