Wist je dat reizen naar de toekomst mogelijk is? Vanuit het lab van tropische plantenteelt (KU Leuven) sturen we elk jaar duizenden planten de toekomst in, naar een moment waarop we deze helden het meest nodig zullen hebben. Je vraagt je nu uiteraard af: lukt dat tijdreizen ook met mensen?
Tijdens de lockdown besloot ik om een van mijn favoriete sciencefictionseries opnieuw te kijken: Futurama. De serie gaat over Fry, een jongeman die tijdens de eerste aflevering in een “cryotank” of een soort vriestank valt. Zo komt hij duizend jaar verder in de toekomst terecht waar hij de gekste avonturen beleeft. Tijdens het kijken besefte ik dat wij hetzelfde doen in ons lab. Ook wij laten dingen reizen in de tijd.
Tijdreizen als een bewaarmethode?
Een paar maanden geleden maakte ik nog een paar zoete aardappelplanten klaar voor vertrek. Dat deed ik via een nieuw cryopreservatie protocol dat we ontwikkelden. We snijden de 1mm³ grote groeiknoppen uit de plant en behandelen ze met een antivriesoplossing. Daarna dompelen we de groeiknoppen in vloeibare stikstof, dat een ultralage temperatuur van -196°C heeft, waarna hun reis begint. Het klinkt misschien wat raar dat we dit tijdreizen noemen. Als ik morgen kijk of onze planten nog in de vloeistof liggen, gaan deze er natuurlijk nog zijn, net alsof ze in een “ultra-koude” diepvries steken. Toch is er een wezenlijk verschil tussen bevriezen en cryopreserveren.
FOTO ONDER: Van deze drie zoete aardappel stekjes snijden we de apicale (bovenste) groeipunten uit, die we behandelen met de antivries oplossingen. In de uitgezoomde figuur kan je zo’n uitgesneden groeiknopje (meristeem) zien. Vanuit dit 1mm³ groot knopje kan de plant helemaal terug uitgroeien. Foto’s gemaakt door Hannes Wilms & Natalia Fanega Sleziak.
Bij vriezen vormt het water in de cel ijskristallen. Die kristallen kan je beschouwen als naaldjes die bevriezende cellen stuk prikken. Drogen zou een methode zijn om dit “schadelijke” water te verwijderen, helaas is er maar een select groepje plantenzaden (Orthodoxe zaden) dat quasi volledige uitdroging kan overleven. Daarom vervangen we bij cryopreservatie maar een deeltje van het water met antivries oplossingen en moeten we kristalvorming van het resterende water op een andere manier tegengaan.
Dit doen we door de groeiknop in het ultrakoude bad van vloeibare stikstof te dompelen. Door de snelle temperatuurdaling stoppen alle water moleculen terstond met bewegen, voor ze kristallen vormen. Deze toestand noemt de glastoestand of vitrificatie en is de kern van vele cryopreservatie protocollen. Een nadeel van deze techniek is dat plantweefsel groter dan 1mm³, niet snel genoeg afkoelt om in deze toestand te komen en toch ijskristallen zal vormen. Maar daar heeft onze 1mm³ grote groeiknop geen last van.
Mocht de plant tijdens het proces met zijn ogen kunnen knipperen, dan zou het voor de plant lijken alsof hij plots naar de toekomst is geflitst
Een tweede verschil is veroudering. De volgende keer dat je iets uit de diepvries haalt, moet je maar eens letten op de vervaldatum. Deze datum is geen verkooptruc zodat je de inhoud van je diepvries tijdig moet vervangen. Bevroren levensmiddelen vervallen omdat er bij -20°C nog altijd reacties gebeuren. Hier komt de tijdreis kijken, bij cryopreservatie wordt de temperatuur zo laag, dat er geen biologische of chemische activiteit meer plaats vindt. Dit wil zeggen dat eenmaal de plant gekoeld is tot -196°C er niets meer gebeurd in de plant en deze hierdoor het besef van tijd verliest. Mocht de plant tijdens het proces met zijn ogen kunnen knipperen, dan zou het voor de plant lijken alsof hij plots naar de toekomst geflitst is, terwijl er voor de bewaarders van zijn tank honderden of duizenden jaren voorbij gegaan zijn.
Planten voor de toekomst
We kunnen planten naar de toekomst sturen, maar wat zijn we daar nu mee? De planten die ik help naar de toekomst sturen dienen om de mensheid in de toekomst te helpen. We cryopreserveren namelijk duizenden verschillende individuen van soorten die voor ons belangrijk zijn zoals bananen, zoete aardappelen en cassave; waar mensen elk jaar miljarden stuks van eten. We maken een soort back-up-bibliotheek. Wanneer er in de toekomst een plant iets uitsterft of iemand een bepaalde plant nodig heeft, dan kunnen wij de groeiknop uit de tijdscapsule halen, opgroeien tot een grote plant en het probleem helpen oplossen.
Dit lijkt misschien veel werk, want je kunt toch gewoon hun zaden bewaren? En dat is grotendeels correct, er zijn zaden die van nature al uitgedroogd zijn (orthodoxe zaden) en die kun je invriezen of cryopreserveren. Wanneer ze ingevroren worden, verouderen ze natuurlijk nog altijd, enkel bij cryopreservatie staat de tijd echt stil. Maar er zijn ook vele planten waar zaadbewaring niet kan.
In ons lab focussen we op die soorten. Zo zijn er planten die geen zaad vormen, zoals de banaan en pitloze druif. Of planten die zaad vormen dat gevoelig is aan uitdrogen of koude (recalcitrante zaden). Of gewassen die klonaal vermenigvuldigd worden: denk maar aan de appel, aardappel of aardbei, die allen niet door zaad vermeerderd worden. Als we daar het zaad gebruiken, verliezen we mogelijk de speciale eigenschappen die de moederplant had.
Zelf reizen naar de toekomst?
De hamvraag is, kan je jezelf cryopreserveren en je zelf naar de toekomst flitsen? Jammer genoeg zal dit nog een tijdje sciencefiction blijven. Als mens hebben we namelijk niet het regeneratief vermogen om uit een kleine groeiknop terug onszelf te vormen. Dit zorgt ervoor dat we het volledige lichaam moeten behandelen en daar loopt het vast. Om de eerdergenoemde ijskristallen te vermijden vervangen we een deel van het water door antivries waarna we op enkele seconden gaan koelen tot -196°C. Maar bij zo’n groot lichaam zal de binnenkant trager koelen waardoor er toch ijskristallen ontstaan die helaas al je organen aantasten. Er is wel 1 lichtpuntje, 'de wetenschap kan wel al je nageslacht in de vorm van ei- en zaadcellen naar de toekomst sturen. Zo kan er toch nog een klein stukje van jezelf wakker worden in de toekomst.
Bronnen
Panis, B. (2019). Sixty years of plant cryopreservation: from freezing hardy mulberry twigs to establishing reference crop collections for future generations. Acta Hortic. 1234, 1-8 https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2019.1234.1
Wilms, H., Fanega Sleziak, N., Van der Auweraer, M. et al. (2020) Development of a fast and user-friendly cryopreservation protocol for sweet potato genetic resources. Sci Rep 10, 14674 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-70869-3
