Verkenners in de wetenschap
Misschien valt er wel degelijk een antwoord te geven op de vraag. We weten dat een ei de benodigde ingrediënten voor een kip bevat. Tegelijkertijd moet er uit de kip een ei kunnen komen. De ontwikkelingsbiologie bestudeert de processen achter groei en ontwikkeling, dus lijkt het verstandig daar op zoek te gaan naar een antwoord op de kip-ei vraag. Tijdens de op een na laatste lunchlezing van dit najaar, bleek dat het proces dat achter de kip en het ei zit, niet zoveel verschilt van het proces dat groei en ontwikkeling van planten en mensen regelt. Prof. dr. ir. Ben Scheres toonde hoe simpele regels tot complexe organismen kunnen leiden. Wie wel eens een potje damt, kan het begrijpen.
Twee basale regels
In principe zijn er maar twee regels die begrepen moeten worden in de ontwikkelingsbiologie, die in combinatie kunnen leiden tot planten, mensen, kippen en eieren. De eerste regel is dat simpele regels kunnen leiden tot complexe patronen. Denk aan een damspel. De regels van een damspel zijn makkelijk uit te leggen en daarmee ook makkelijk te onthouden. Deze simpele regels maken echter een enorme hoeveelheid variatie in het spel mogelijk. In de biologie kan hetzelfde principe toegepast worden op de groei en ontwikkeling van cellen. Het DNA van alle cellen bevat informatie. Hoe ontstaan daaruit zoveel verschillende cellen, van darmcellen tot hersencellen? De regels voor het delen zijn vrij simpel. Door het vermenigvuldigen en specialiseren van cellen ontstaat er langzamerhand echter een steeds complexer geheel. Met behulp van wiskundigen en digitale modellen, toonde professor Scheres prachtig aan hoe makkelijk complexiteit ontstaat uit een simpele basis, vastgelegd in het DNA van stamcellen. Deze regel gaat op voor alle organismen.
De tweede regel is dat er feedback moet zijn van het effect naar de oorzakelijke factor, waarop de oorzakelijke factor kan reageren. Er treedt zo een samenhangend netwerk op. Een goed voorbeeld voor een dergelijk samenhangend netwerk is onze biologische klok. Coderingen in het DNA zorgen voor de activering van een eiwit, 'feedforward', dat verband houdt met ons dag en nachtritme. Zonlicht heeft een regressief effect op deze eiwitten en dit effect wordt teruggekoppeld aan het DNA dat de activering van het eiwit aanpast. Dit is de reden waarom we lichamelijk van slag zijn met een jetlag. In allerlei levensprocessen in mens, dier en planten is terugkoppeling, oftewel 'feedback' cruciaal. Cellen bepalen hun taken en posities aan de hand van 'feedforward' en 'feedback'.
Grenzeloze variatie?
Het dogma van DNA als bouwplan en het idee van eenrichtingsverkeer waarbij DNA tot RNA leidt, dat codeert voor eiwitten die op hun beurt als de werkpaarden binnen een organisme functioneren, is dus niet helemaal correct. De eiwitten hebben namelijk ook effect op het DNA. Er is constante 'feedback' en 'feedforward' op moleculair celniveau. Dankzij de nauwe samenwerking met wiskundigen en modellenbouwers zijn ontwikkelingsbiologen erin geslaagd een redelijk compleet beeld te geven van het proces achter de ontwikkeling van een stamcel tot organisme. Deze kennis is van belang voor gezondheid en ziekte in plant, mens en dier. Een interessante, fundamentele vraag blijft wat de grenzen zijn waarbinnen variatie in leven kan optreden. Dit bleek ook vorige week bij de lezing van Appy Sluijs iets waar wetenschappers in verschillende disciplines mee bezig blijven.
Gelukkig lijkt de vraag naar de kip en het ei wel beantwoord. Er is niet eerst een ei en dan een kip of andersom… Er is DNA en er zijn eiwitten die onderhevig zijn aan een aantal simpele regels. Deze simpele regels construeren onder constante feedback een enorme complexiteit. Hieruit ontstaan kip en ei.
