DNA in alle kleuren

“Dat is gewoon water”, zegt Sarah, terwijl ze de vloeistof met een pipet aan de reageerbuis toevoegt. Het is een wederkerend antwoord op mijn vragen. Steeds als ik de inhoud van een vloeistof wil achterhalen, blijkt het gewoon water te zijn.

Dat ligt gelukkig niet aan mij, maar vooral aan het feit dat biologen werken met stoffen die nauwelijks van elkaar te onderscheiden zijn. “De meeste stoffen in moleculaire biologie zijn transparante vloeistoffen”, voegt Sarah toe.

Sarah Vorsselmans is lid van het KU Leuven iGEM-team, een groep studenten die meedoen aan een internationale wedstrijd in de synthetische biologie. In een eerdere post schreef ik al over hun project om gestuurde evolutie toe te passen op plantencellen.

Ook deze studenten moeten aan de slag met vloeistoffen die amper van elkaar te onderscheiden zijn. Hoewel ze er steeds over spreken, kom ik nooit DNA, bacteriën of plasmiden in het laboratorium tegen. Er worden enkel wat vloeistoffen opgewarmd en met elkaar gemengd. Toch spreken ze over deze vloeistoffen alsof ze zeker zijn van hun identiteit, terwijl ik maar blijf gissen.

Wetenschap spreekt vaak over onzichtbare zaken: bacteriën, genen, maar ook atomen of zwaartekrachtgolven. Een groot debat binnen de wetenschapsfilosofie gaat over de vraag wanneer het verantwoord is om deze theoretische gepostuleerde entiteiten voor echt aan te nemen en in welke gevallen het louter nuttige ficties zijn.

In 1931, bijvoorbeeld, publiceerde het vakblad Science een artikel van de Franse bioloog Maurice Caullery, waarin hij stelde dat ‘genen’ niets meer zijn dan een nuttig model, zonder werkelijkheidswaarde. “Ze laten experimenten en voorspellingen toe, en dit rechtvaardigt het gebruik ervan,” schreef Caullery, “maar vergeet niet dat het slechts symbolen zijn.”

De filosofische literatuur over het ‘realisme’ van wetenschappelijke entiteiten is reusachtig. Maar vaak vertrekt het van een eenvoudige grens tussen dat wat je kan zien en dat wat je op basis van argumenten maar moet aannemen.

Mijn ervaring met het iGEM-studententeam toont iets anders: in de praktijk ligt de grens tussen het zichtbare en het onzichtbare niet vast. De studenten doen juist alle moeite om gepostuleerde dingen waarneembaar te maken.

In andere woorden: biologen zijn meesters in het zichtbaar maken. Vaak gebeurt dit door het toevoegen van extra stoffen, die transparante vloeistoffen kleur geven. De motivatie is bovendien praktisch van aard: experimenten bestaan vaak uit talloze stappen. Het is dan handig te weten of het al bij een tussenstap fout liep. Maar dat zie je niet als alles gewoon transparant water lijkt.

In augustus gaf Vitor Pinheiro, de professor die het team begeleidt, me voor het eerst uitleg over EvolvR. Het team wil hiermee aan de slag gaan om met gestuurde evolutie in plantencellen aan de slag te gaan. In alle eerlijkheid verwachtte ik dat EvolvR een middelgrote machine zou zijn, met allerlei knopjes en lichtjes. Maar toen Sarah het me voor het eerst toonde was het wéér een microbuisje met wat transparante vloeistof.

EvolvR is de naam voor een combinatie van stoffen en enzymen, waaronder een variant van het befaamde CRISPR-cas9, dat biologen toelaat om gericht in het DNA van cellen te knippen. Vervolgens wordt gezorgd dat, wanneer de cel het DNA wil herstellen, er genoeg ‘fouten’ optreden, waardoor genetische variaties optreden. Het is op deze genetische variatie dat de biologen vervolgens de varianten selecteren die ze willen.

Maar dit hele proces voltrekt zich in een transparante vloeistof. Hoe zie je dan of EvolvR werkt? Hiervoor gebruiken de studenten een gen dat groen fluorescerend proteïne (GFP) aanmaakt. In tegenstelling tot andere genen is de aanwezigheid van het GFP-gen wel makkelijk zichtbaar: het geeft licht onder ultravioletstralen.

Vika Belousova, en ander lid van het team, toont hoe ze te werk gaan. Eigenlijk gebruiken ze GFP omgekeerd: vertrekkend van cellen met het GFP-gen, maken ze deze vervolgens stuk. EvolvR wordt dan toegevoegd om ze te herstellen.

Als EvolvR inderdaad aanwezig is, zal het GFP-gen in een aantal cellen hersteld worden en terug licht beginnen geven. EvolvR toont zich zo dus indirect aan de biologen.

Ook bij de plantencellen van Dries werd een gelijkaardig principe gebruikt. Dries Oome, een ander lid van het iGEM-team, probeerde een specifieke laag stamcellen in de plant te isoleren. Maar hoe weet je of het de juiste cellen zijn? Ook daar gebruikte Dries de kracht van kleuren.

Toen eindelijk de bestelde stain aankwam was Dries daarom ook zeer enthousiast. Eindelijk kon hij de stamcellen zien. In de biologie worden zulke stains vaak gebruikt om anders onzichtbare zaken te kleuren (to stain).

Ook hier ging het om een negatieve test: de stof die voor de ‘houterigheid’ van planten zorgt, lignine, kleurt rood bij aanraking met deze stain. Maar Dries was precies op zoek naar stamcellen, die nog niet gedifferentieerd zijn en dus geen lignine aanmaken. Een rode stengel betekende dat het de verkeerde cellen zijn. Als hij groen blijft, zijn het daarentegen waarschijnlijk stamcellen.

Tegenwoordig worden stoffen niet enkel zichtbaar gemaakt voor en door mensen, maar ook voor en door machines. Een voorbeeld is de spectrometer die de concentratie van DNA in een staal meet. Ook dat valt niet met het blote oog te zien.

De spectrometer bepaalt de concentratie via lichtobservatie: het meet hoeveel licht het staaltje doorlaat, leidt daaruit af hoeveel er door de stof wordt geabsorbeerd, en zo hoeveel DNA erin geconcentreerd zit. Met andere woorden: ook voor een machine moet DNA zichtbaar gemaakt worden. Die machine speelt de informatie dan door aan ons via een handige grafiek of eenduidig cijfer.

Het zichtbaar maken wordt verder vaak uitbesteed aan bedrijven. Tegenwoordig ontrafelen universitaire biologen bijvoorbeeld niet zelf meer de code van een specifiek stuk DNA dat ze onderzoeken, maar schakelen ze daar gespecialiseerd bedrijfjes voor in.

De enige vereiste is een klein transparant buisje opsturen naar het bedrijf. De dag erna kan je al een email verwachten met de exacte code van het staaltje. Maar ook deze bedrijfjes worstelen met het probleem om dingen zichtbaar te maken. Ze lossen dat typisch op via de sanger sequencing methode. Ook deze methode ‘kleurt’ het DNA in.

DNA bestaat uit twee aan elkaar verbonden strengen met een code van vier ‘letters’ (A, T, G en C). De methode probeert deze code af te lezen door eerst de dubbele streng van het DNA uit elkaar te halen. Deze strengen worden vervolgens door een toegevoegde enzym (polymerase) terug opgebouwd via (toegevoegde) losse letters, waar een van de gespleten strengen als ‘sjabloon’ voor wordt gebruikt. Daar wordt echter een stokje voor gestoken via fluorescente stop-lettertjes.

Deze stopletters zijn varianten van de vier letters, maar met elk een eigen fluorescente kleur. Bovendien hebben ze de eigenschap het reparatieproces stop te zetten. Je eindigt zo met een verzameling van DNA-strengen van alle lengtes, steeds eindigend met een van deze fluorescente stop-lettertjes. Als je deze stukjes op lengte sorteert, toont de opeenvolging van kleuren de code: Groen staat voor A, rood voor T, enzovoort.

Wetenschap is dus beter niet op te vatten als een spreken over onzichtbare theoretische entiteiten, maar juist een zichtbaar maken van zaken. Biologen zijn meesters in het binnenbrengen in onze leefwereld van subtiele processen waar we anders geen oog voor hebben. Ze zetten mens en machine in om anders onzichtbare verschillen uit te vergroten en te vertalen in onderscheidingen die een mensenoog weet op te merken.

Eerder dan het beeld van de wetenschapper met het hoofd in wolken, is een gepaster beeld dat van een goede wijnproever: getrainde zintuigen, versterkt door talloze machines, die in staat zijn geaffecteerd te worden door subtiele verschillen waar we anders overkijken. Zo’n getraind wetenschappelijk lichaam opent een palet van kleuren en smaken in wat anders gewoon wat troebel water leek.