Is de cel een machine?

Onze lichamen bestaan uit cellen. Dit lijkt zelf-evident. Toch werden cellen pas op het einde van de 17^e eeuw voor het eerst geobserveerd met de ontwikkeling van de eerste microscopen. De term ‘cel’ valt voor het eerst in Robert Hookes boek Mocrographia in 1665. Afgeleid van het Latijnse cella, dat ‘kleine kamer’ betekent, deden het Hooke denken aan de kloostercel van christelijke monniken. Pas in het midden van de 19^e eeuw werd de moderne celtheorie geformuleerd: alle organismes bestaan uit cellen en komen uit cellen voort.

Een cel observeren is natuurlijk iets anders dan  haar werking begrijpen. Juist zoals ‘cel’ een metafoor is, zo wordt haar werking begrepen via een andere metafoor: de cel als machine. De cel wordt opgevat als een machine of fabriek die energie of moleculen produceert. Of een cel wordt opgevat als een kleine computer, met de celonderdelen als hardware en het DNA als software.

Deze metaforen staan bijvoorbeeld centraal in de synthetische biologie, die de biologie efficiënter wil maken door technieken en concepten uit de ingenieurswetenschappen te importeren. Juist zoals ingenieurs efficiënte en betrouwbare wagens maken, zullen biologen weldra biologische machines in elkaar steken. De hoop is dat deze gefabriceerde cellen goedkopere en milieuvriendelijke biobrandstoffen of andere chemicaliën zullen maken. Het slagen van synthetische biologie hangt echter af van de vraag of cellen inderdaad ‘machines’ zijn.

In een recent artikel in het Journal of Theoretical Biology stelt de filosoof Daniel J. Nicholson (Konrad Lorenz Instituut) dat dit problematisch is. In de laatste vijftig jaar heeft er zich een enorme kennis opgestapeld over hoe cellen werken. Dit heeft echter niet geleid tot een dieper theoretisch begrip van wat een cel is. Waarom? Een mogelijke verklaring is dat cellen complex zijn en dat het dus tijd vergt. Er is ook een andere optie, aldus Nicholson: we zitten vast in een verkeerd interpretatiekader, namelijk dat van de cel als machine.

Een eerste belangrijke vraag is wat een machine überhaupt is. Intuïtief zijn we ermee vertrouwd, omwille van ons dagelijks contact met auto’s of computers. Abstracter kan je een machine definiëren als een apparaat met vaste, interactieve delen die op een gecoördineerde manier werken om een vooraf bepaald resultaat te produceren.

Volgens Nicholson zijn er twee redenen waarom deze machine-metafoor voor de biologie verkeerd is. Allereerst omdat cellen door zelforganisatie gekenmerkt worden. Een machine moet maar één keer in elkaar wordt gezet om dan probleemloos te blijven functioneren tot hij uit elkaar valt. Een cel daarentegen blijft enkel stabiel door een voortdurende uitwisseling van energie en materie met de omgeving.

Ten tweede speelt de kwestie van schaal mee. Omwille van microscopische grootte worden cellen onderworpen aan radicaal andere invloedsfactoren dan auto’s of computers, waardoor andere regels meespelen.

Nicholson wijst op vier domeinen waaruit blijkt dat de machine-metafoor inadequaat is. Allereerst is er de opbouw van een cel, de zogenaamde cellulaire architectuur. Het overheersende beeld van een cel is dat van een stabiel en afgebakend geheel met duidelijke onderdelen.

Dat beeld komt voort uit de traditionele technieken om deze cellen in beeld te brengen. Om een cel te observeren moet je ze doden, uitdrogen en kleuren vooraleer ze onder de microscoop te leggen. Dit heeft een effect op de beeldvorming van cellen. Het geeft de valse indruk van een cel als iets stabiel en onbeweeglijks.

Nieuwe technieken tonen aan dat cellen eerder getypeerd worden door vormen van zelforganisatie: door complexe interacties tussen allerlei moleculen komt een tijdelijke stabiele vorm naar voren. Denk aan een draaikolk. Uit een constante wanorde ontstaat een tijdelijk ordelijk patroon, dat enkel blijft bestaan zolang er nieuwe energie en materie wordt toegevoerd. Een cel is eerder een draaikolk dan een machine. Het blijft maar semi-stabiel zolang er genoeg beweging is.

Volgens Nicholson betekent dit dat we onze aandacht moeten verschuiven van materie naar vorm. Wat belangrijk is in een cel – wat een cel tot een levende cel maakt – is niet zozeer de materie, maar de vorm: de informatie, de tijdelijke orde, die aanwezig is in de cel.

Eenzelfde verhaal valt te vertellen over eiwitten, de bouwstenen van alle levende materie. Ook hier brengen klassieke technieken een misleidend beeld naar voren. Een voorbeeld is röntgendiffractie die de structuur van eiwitten indirect in kaart brengt door te zien hoe ze interageren met röntgenstralen. Het resultaat is een gekristalliseerd beeld van eiwitten, dat misleidend stabiel is.

In realiteit blijken eiwitten zich niet als solide objecten te gedragen, maar eerder analoog aan vloeistoffen. Eiwitten zijn geen ‘moleculaire machines’, want wisselen vaak tussen verschillende vormen, naargelang de specifieke toestand en omgeving. De vaak gebruikte metafoor dat het zou gaan om ‘sleutels’ die op specifieke ‘sloten’ zouden passen is dus misplaats. De bioloog Tanguy Chouard grapte daarover al in 2011 in Nature “dat je evengoed een deur kan proberen open te krijgen met gekookte spaghetti”.

Een derde domein waarop de machine-metafoor mank loopt is dat van intracellulair transport, de wijze waarop moleculen zich in de cel verplaatsen. Ook hier wordt vaak over machines en motoren gesproken, alsof moleculen als kleine motorbootjes in de cel rondvaren om zo de juiste stoffen op de juiste plaats te krijgen. Alle energie zou dan komen vanuit deze moleculaire machientjes (zie onderstaande video).

In realiteit zien we iets anders aan het werk, als gevolg van wat men browniaanse beweging noemt. In 1827 observeerde de Schot Robert Brown dat stuifmeelkorrels in water, hoewel duidelijk bestaande uit dode materie, toch allerlei onregelmatige bewegingen maakten. Dit kwam, zo ontdekte men later, doordat deze kleine deeltjes constant gebombardeerd werden door de vele moleculen van het water waarin de stuifmeel zich bevond.

Vanuit dit perspectief lijkt de metafoor van moleculen als motorbootjes onhoudbaar. Eerder dan het beeld van een motorboot die op eigen kracht over een windstille oceaan vaart, is het beeld er een van een permanente wandeling door een orkaan, waarin de verplaatsende molecule steeds weer botst met allerlei andere deeltjes rondom zich.

Het gaat dus niet om een motor die energie moet opwekken om überhaupt in beweging te komen, maar om moleculen die zich verplaatsen in een cel door deze orkaankrachten naar hun hand te zetten. Meer dan een motorboot gaat het om een zeilboot die de windkrachten in de juiste richting weet te sturen. Energie wordt niet zozeer gebruikt om beweging op te wekken, maar om af te remmen en te sturen.

Schaal maakt hier duidelijk een verschil. Een macroscopische machine moet vooral vechten tegen krachten zoals zwaartekracht en inertie. Denk bij dit laatste aan de kracht die jou naar achteren duwt als je in een versnellend voertuig zit. Zulke krachten spelen amper een rol op celniveau en maar gelukkig ook. Moleculen zijn zachte en flexibele materialen die tegen deze krachten weinig zouden kunnen beginnen. De voornaamste kracht waar ze mee moeten vechten is de bovenstaande browniaanse beweging.

Ten slotte is er nog het celgedrag. Ook hier speelt het traditionele beeld van een machine volgens Nicholson een grote rol. Als je ervan uitgaat dat alle cellen machines zijn, verwacht je dat ze zich allemaal op dezelfde manier gedragen. Je hoeft dus geen individuele cellen te bekijken, maar kan het gemiddelde nemen van een celpopulatie en daaruit afleiden hoe de individuele cel zich gedraagt.

Maar wanneer biologen individuele cellen begonnen te vergelijken, kwam een ander beeld naar voren. Individuele cellen kunnen op radicaal verschillende wijzen reageren in ongeveer dezelfde omstandigheden. Het is verre van een gradueel proces, waarin sommige cellen gewoon wat sneller of trager reageren op nieuwe omstandigheden.

Een duidelijk voorbeeld is het onderzoek naar ruis (noise) in cellen. In synthetische biologie speelt dit begrip een grote rol. Als je cellen wil programmeren om een bepaalde taak uit te voeren, zoals biobrandstoffen maken, moeten ze op voorspelbare wijze instructies opvolgen. In realiteit reageren niet alle cellen even goed. Deze kloof tussen signaal en gewenste reactie noemen ingenieurs ruis en wordt typisch gezien als een probleem dat moet worden opgelost.

De afgelopen jaren voltrekt zich echter een conceptuele verschuiving. Vroegere synthetische biologen interpreteerden ruis enkel als een onvermijdelijke last. In recente studies wordt ruis niet langer als een te accepteren obstakel opgevat, maar als iets dat de cellen kunnen uitbuiten. Juist zoals de moleculen in de cel de browniaanse beweging naar hun hand zetten, zo wordt ruis ook vaak door de cellen ingezet om hun overlevingskansen en robuustheid te vergroten. Ruis is dus geen kost, maar een winst voor de cellen.

Filosofen als Nicholson zijn dus optimistisch dat een andere kijk op cellen aanstaande is: de cel is geen machine, maar een proces. Er is geen mooie blauwdruk van een cel, want het gaat om een zelf-organiserend geheel. Er zijn geen strikt te onderscheiden celonderdelen, maar eerder flexibele moleculen die multifunctioneel zijn. De cel is geen machine die je uit elkaar kan halen, maar een samenhangend proces dat constant in beweging is. “De cel is geen machine, maar iets geheel anders - iets interessanter maar ook weerbarstiger,” aldus Nicholson.

Volgens Nicholson kondigt dit een theoretische verschuiving in de biologie aan. Maar waarom nu? Historisch is zo’n procesbenadering van biologische cellen en organismes niet zo nieuw. Zo’n visie werd al in de jaren 70 bepleit, onder meer door de Belgische Nobelprijswinnaar Ilya Prigogine. De bovenstaande claims zijn dus verre van nieuw.

De situatie is nu toch anders volgens Nicholson, met name door de gebruikte technieken. Hij stelt dat we “getuige zijn van een conceptuele revolutie die wordt veroorzaakt door een methodologische revolutie.” Een reeks nieuwe technieken laat biologen toe om individuele moleculen en cellen te volgen doorheen de tijd. Dit zorgt ervoor dat deze abstracte theoretische visie ook experimenteel een verschil kan maken.

De machinemetafoor steunde op oudere technieken, die het doden van de cel veronderstelden en niet meer dan een momentopname toelieten. De nieuwe technieken laten biologen toe biologische processen als proces waar te nemen. De theorie moet nu nog slechts volgen.