|
| |
| |
| |
12 De fundamentele biologie: van het organisme tot de cel, van de molecule tot het ecosysteem
Denis Thieffry
De biologie heeft in de loop van de 20ste eeuw een ongeziene ontwikkeling gekend. Voor een deel is deze evolutie een uitvloeisel van een algemene beweging, die zowel in België als in het buitenland is vastgesteld, met een forse toename van de middelen van de universiteiten en de onderzoeksinstellingen. Maar zelfs in deze florissante algemene context is de explosieve ontwikkeling van de biologische disciplines heel opmerkelijk, vooral in de tweede helft van de eeuw. Het spectaculairste onderdeel van deze ontwikkeling is de geleidelijke opbouw van een moleculaire benadering van de functies, eigenschappen en kenmerken van levende organismen. De invloed van deze moleculaire benadering was te merken in alle biologische disciplines, maar ook in de geneeskunde, in de agronomie en meer recent in de informatica. In België heeft deze ontwikkeling zich vanaf de jaren '60 vertaald in de oprichting van een indrukwekkend aantal, speciaal aan de moleculaire biologie gewijde departementen, instituten en universitaire programma's. Dat betekende daarom nog niet het einde van het meer traditionele onderzoek in de systematiek of de morfologie van dieren en planten. Ondanks een relatieve marginalisatie behielden deze klassieke biologische disciplines een fundamentele rol in het biologieonderwijs. Ook zij kenden een ingrijpende reorganisatie, in het bijzonder met de geleidelijke verdwijning van de oorspronkelijke dichotomie tussen botanische en zoölogische wetenschappen. Maar hun voornaamste inbreng in de loop van de 20ste eeuw betrof de steeds nauwkeuriger beschrijving van het gedrag van dieren en van de ontwikkeling van de planten- en dierenpopulaties in nauwe relatie tot hun omgeving. De ontwikkeling van vooral de ethologie en de ecologie vestigde de aandacht op de kwetsbaarheid en de aantasting van ons milieu, wat onder meer leidde tot de vorming van verschillende natuurreservaten.
Uiteraard is het onmogelijk het gehele werk van Belgische biologen in de 20ste eeuw samen te vatten in een tiental pagina's. In plaats van de lezer te vervelen met een catalogus van namen en experimenten, willen we de ontwikkeling van de biologie in België schetsen aan de hand van enkele betekenisvolle voorbeelden. De meeste aandacht zal gaan naar de moleculaire biologie. Deze keuze wil vooral de bijdrage van onze biologen in de opbouw van dit nieuwe multidisciplinaire domein belichten. Daarbij zal ook worden stilgestaan bij de specifieke kenmerken van de Belgische academische context.
| |
▪ Van de analyse van de structuren tot het begrijpen van de functies
Gedurende de 19de eeuw werden de meeste botanische of zoölogische studies uitgevoerd door onderzoekers met een ‘brede’ belangstelling, d.w.z. met interesse voor de studie van de natuur in al haar vormen. Of het nu ging om universiteitsprofessoren of om verlichte amateurs, al deze naturalisten hadden over het algemeen een zeer uitgebreide wetenschappelijke cultuur die hen in staat stelde gespecialiseerde studies, bijvoorbeeld in botanica of entomologie, te plaatsen in een algemeen schema van de organisatie der levende wezens en van hun evolutie. Deze erfenis werd aan het begin van de 20ste eeuw voortgezet in de talrijke studies van de fauna en flora van België, van de Belgische kolonies in Midden-Afrika en van andere regio's in de wereld. Hoewel deze studies voor het grootste deel werden uitgevoerd aan Belgische universiteiten (Brussel, Gent, Luik en Leuven), werden zij eveneens gestimuleerd door de vorming van instituten en verenigingen op nationaal niveau die
| |
| |
door hun publicaties en conferenties een belangrijke bijdrage leverden.
Rond de eeuwwisseling merken we een steeds systematischer en meer veralgemeende toepassing van de experimentele methode in de biologie, vooral in Duitsland, Engeland, België, Frankrijk en de Verenigde Staten. Het laboratoriumwerk werd belangrijker dan het veldwerk. De biologen onderzochten de levende organismen met behulp van steeds fijnere technieken met de bedoeling hun eigenschappen, hun functies en hun gedrag te begrijpen op basis van de inwendige structuur. Daarnaast legden ze zich vooral toe op de analyse van de embryonale ontwikkeling en van processen zoals de gametogenese en de bevruchting.
Marcel Florkin, door Auguste Mambour, Luik, Centre d'Histoire des Sciences et des Techniques ▪
De precisering van de biologische vraagstukken ging gepaard met de verfijning van de instrumenten en technieken, zoals de optische microscopie of de technieken voor het prepareren, filtreren en fixeren van biologische monsters. Hoewel deze technieken in zekere zin de voortzetting vormden van de studies der naturalisten, deden zij meer en meer een beroep op de scheikunde en de fysica; zij leidden tot de ontwikkeling van gespecialiseerde disciplines zoals de cytologie, de histologie en de fysiologie.
Te Leuven werd het werk van Jean-Baptiste Carnoy (1836-1899) voortgezet en gediversifieerd door een bloeiende school met daarin onder meer Frans Janssens (1863-1924), Victor Grégoire (1870-1938) en Théophile Debaisieux (1847-1920). Hun onderzoek, uitgevoerd in laboratoria voor plantkunde, agronomie of zoölogie, beschreef in detail de celdeling en celdifferentiatie, wat van groot belang zou blijken voor de interpretatie van de mechanismen die aan de basis liggen van de transmissie en recombinatie van erfelijke kenmerken (zie later). Te Brussel toonde de plantkundige Léo Errera (1858-1908) bijzonder veel belangstelling voor de plantenfysiologie vanuit een reeds grotendeels moleculair perspectief.
De loopbaan van Léon Fredericq (1851-1935), reeds besproken in een vorig hoofdstuk, is door de combinatie van interdisciplinaire aspecten én een grote specialisering een goede illustratie van de tendensen in de biologie rond de eeuwwisseling. Fredericq onderzocht de functionele aspecten van de ademhaling en de werking van het hart bij diverse organismen, van de ongewervelden tot de mens. Zijn wetenschappelijke successen en charisma lagen aan de basis van een bijzonder dynamische school voor vergelijkende fysiologie te Luik.
Marcel Florkin (1900-1979), medicus van vorming en leerling van Léon Fredericq, zou zich toeleggen op de vergelijkende analyse van belangrijke fysiologische functies zoals de ademhaling (typering van de zuurstoftransporterende ademhalingspigmenten), de osmoseregulatie bij ongewervelde en gewervelde zee- en landdieren, en de elektrische eigenschappen van zenuwen en spieren. Hij ontwikkelde het begrip ‘biochemische evolutie’, cor- | |
| |
relatief met de morfologische evolutie van de levende wezens. Hij was één van de eerste onderzoekers die de evolutie van proteïnen bestudeerde door vergelijking van in verschillende soorten geïsoleerde homologe proteïnesequenties. Als auteur van talrijke werken over biochemie en over de geschiedenis van deze discipline stond Florkin, die in Luik belast werd met de organisatie van de eerste lessen biochemie, mee aan de wieg van de Belgische Vereniging voor Biochemie (1951), waarvan hij de eerste voorzitter werd. Via die vereniging droeg hij bij tot de oprichting van de International Union of Biochemistry, en ook daarvan werd hij de eerste voorzitter. Florkin zou eveneens belangrijke politieke functies bekleden bij het Ministerie van Nationale Opvoeding, de UNESCO en de Wereldgezondheidsorganisatie.
Na medische studies aan de Université libre de Bruxelles en meerdere buitenlandse stages, onder meer bij W.B. Cannon te Boston, voegde Zénon M. Bacq (1903-1983) zich te Luik bij de groep van Fredericq; hij nam er de cursussen dierfysiologie en algemene pathologische fysiologie voor zijn rekening. Zijn onderzoek bestreek vooral de elektrocardiografie, de metabolismeregulatie, en de neurohormonale transmissie in de synapsen en de knopen van de autonome zenuwstelsels. Conceptueel gezien droeg Bacq bij tot de bepaling van het begrip chemische communicatie. Hij speelde tevens een belangrijke rol in de ontwikkeling van de moleculaire farmacologie, vooral door een aantal specifieke therapeutische instrumenten op punt te stellen, onder meer door het onderzoek van de stralingsafwerende eigenschappen van bepaalde chemische stoffen.
Te Brussel resulteerden de onderzoekingen van Jules Bordet (1870-1961) in fundamentele bijdragen tot de fysiologie en de bacteriologie. Hij was directeur van het Pasteurinstituut van Brabant van 1901 tot 1940 en titularis van de eerste leerstoel bacteriologie aan de faculteit Geneeskunde van de universiteit van Brussel. Bordet werd internationaal erkend voor zijn bijdragen in de immunologie (bepaling van de rol en het karakter van het bloedcomplement) en de bacteriologie en ontving in 1919 de Nobelprijs voor Fysiologie en Geneeskunde.
Jules Bordet. Brussel, Archives de l'Université libre de Bruxelles ▪
Na medische studies aan de Université libre de Bruxelles, vervolledigd met stages aan het Institut Pasteur te Parijs en het Rockefeller Institute te New York, werkte André Gratia (1893-1950) op het departement bacteriologie van Jules Bordet. Gratia bestudeerde de rol van microscopische agenten bij de overdraagbare autolysefenomenen van stafylokokken. Hij legde de link tussen deze ‘stafylofagen’ en de door Twort en d'Hérelle onafhankelijk van elkaar ontdekte bacteriofagen, waarmee hij tegelijk het bestaan aantoonde van een massa lytische agenten. De studie van deze micro-organismen bracht Gratia tot het isoleren van meerdere interessante enzymen, zoals het eerste voorbeeld van colisines, antibiotica die een belangrijke rol spelen in de bacteriegenetica. In 1932 werd Gratia gevraagd om aan de universiteit van Luik de lessen bacteriologie en parasitologie te geven. Hij richtte zich vooral op de studie van de planten- en insectenvirussen. De microbiologie zou gedurende enige tijd een opmerkelijke bloei beleven aan het CERIA (Centre d'Etudes et de Recherches des Industries Alimentaires) te Brussel, onder leiding van Jean-Marie Wiame, die samen met zijn medewerkers onderzoek deed naar de analyse van de regulatiemechanismen van het stikstofmetabolisme in gist.
De universiteit van Gent kon, in de persoon van Corneel Heymans (1892-1968), eveneens rekenen op een internationaal gerenommeerd fysioloog.
| |
| |
Corneel Heymans ontving voor zijn onderzoek de Nobelprijs voor Fysiologie en Geneeskunde (1938). Gent. Universiteit Gent, Heymans Instituut voor Farmacologie ▪
Met behulp van een delicate orgaanperfusietechniek slaagde hij erin de rol van de encefalobulbaire centra bij de controle van de hart- en ademhalingsactiviteiten bij de hond aan te tonen. Best bekend werd hij uiteraard door zijn werk op het gebied van de fysiologie en de farmacologie van de carotis sinus en de baroreceptoren van de aorta, die hem in 1938 de Nobelprijs voor Fysiologie en Geneeskunde bezorgden.
| |
▪ Het ei en zijn ontwikkeling
De reproductie en de ontwikkeling van de meercellige organismen behoren tot de meest fascinerende problemen in de biologie. De experimentele analyse van deze problemen zorgde in België gedurende de hele 20ste eeuw voor een reeks erg succesvolle onderzoeken. Op het einde van de 19de eeuw waren erfelijkheid en embryo-ontwikkeling in de geest van experimentele biologen zoals Jean-Baptiste Carnoy (1836-1869) aan de universiteit van Leuven of Edouard Van Beneden (1846-1910) aan de universiteit van Luik nauw met elkaar verbonden. Beide onderzoekers lagen aan de basis van zeer productieve scholen. Ze gaven onder meer minutieuze beschrijvingen van de verdichting van chromatine in chromosomen, en van de verdeling van de chromosomen in de loop van celdelingen. In 1882 slaagde Van Beneden erin de meiose te verklaren, de celdeling die sporen of gameten voortbrengt en die de basis vormt van de erfelijkheid.
Albert Brachet (1869-1930), een leerling van Edouard Van Beneden, bracht het grootste deel van zijn loopbaan door aan de medische faculteit van de Université libre de Bruxelles. Als pionier van de experimentele analyse van de embryo-ontwikkeling in België, een benadering die hij omschrijft als ‘causale embryologie’, kreeg Brachet vooral erkenning voor zijn werk over de embryologie van de vertebraten. Albert Dalcq, één van Brachets leerlingen, nam het onderwijs van de anatomie en de menselijke embryologie, en ook de leiding van het laboratorium over. In de loop van de jaren '20 had Dalcq vooral aandacht voor de cytologische analyse van de spermatogenese, evenals voor de analyse van de parthenogenese en de mitose. In de jaren '30 legde Dalcq zich toe op de studie van de eerste stappen van de embryo-ontwikkeling (van de bevruchting tot de gastrulatie). Zijn markante synthese van het experimenteel onderzoek, uitgevoerd
| |
| |
in meerdere laboratoria, werd vervat in twee boeken, Form and Causality in Early Development (1938) en L'oeuf et son dynamisme organisateur (1941). In deze werken kwam Dalcq tot een algemene theorie van de vroege embryo-ontwikkeling, opgesteld in samenwerking met Jean-Jules Pasteels (1906-1991).
Deze theorie combineert het bestaan van een initiële heterogeniteit in het ei met de mogelijkheid van regulatiefenomenen. Aldus maakt de initiële structuur van het ei het op gang komen van een cascade van differentiatieprocessen mogelijk. Deze ‘epigenetische’ processen worden gestuurd door een dynamische combinatie van ‘gradiënten’ en ‘velden’, d.w.z. van variaties in de concentraties van morfogenetische substanties in het ei in ontwikkeling. Volgens Dalcq en Pasteels kunnen de effecten van deze gradiënten en velden worden voorgesteld door eenvoudige wiskundige relaties, met producten en quotiënten, maar ook met actiedrempels. Hoewel de inspanningen van de embryologen met het oog op de identificatie van dergelijke morfogenetische substanties decennialang zonder resultaat zouden blijven, slaagde Dalcq er toch in de lokalisering evenals de eigenschappen van enkele van deze substanties te preciseren door rotatie- en centrifugeerproeven met bevruchte eieren. Hij schoof het bestaan naar voor van een ‘corticaal veld’, verbonden met een morfogenetische substantie die in contact is met de buitenste laag van het ei en geprangd zit tussen twee membranen waardoor het bestand is tegen diverse fysische verstoringen.
Dalcqs synthese, die boven de experimentele resultaten uitstijgt, werd eveneens gekenmerkt door zijn bereidheid over een hele reeks traditionele dichotomieën in de embryologie heen te stappen, bijvoorbeeld de tegenstelling tussen preformatie en epigenese, of die tussen vorm en functie. Hoewel hij aan de oorsprong lag van het bewijs van het bestaan van regulatiemechanismen in de loop van de ontwikkeling van het zakpijpei, over het algemeen beschouwd als een mozaïek van vooraf gedefinieerde gebieden, bleef Dalcq voortdurend hameren op het belang van de aanwezigheid van initiële verschillen in ieder ei, verschillen zonder dewelke geen enkele regulatie mogelijk zou zijn. Als embryoloog stond Dalcq ook heel open voor de mogelijkheid van een potentiële actie van de genen in de loop van de ontwikkeling, een openheid die contrasteert met de controverses tussen genetici en embryologen in de Verenigde Staten.
| |
▪ De moleculaire reductie
In de 20ste eeuw onderging de biologie een grote gedaanteverwisseling door het contact met de scheikunde en de fysica. Talrijke biologen gingen immers de karakteristieke structuren en processen van de levende wezens uitdrukken in moleculaire termen. De verwondering over de morfologische diversiteit van het leven maakte geleidelijk plaats voor de analyse van de onderliggende biochemische mechanismen, wat onverwachte verwantschappen blootlegde. Terzelfdertijd maakte de fijne analyse van de metabolismevariaties doorheen de levende wereld het mogelijk de fylogenetische en functionele relaties tussen de soorten te preciseren.
Zoals boven reeds is gezegd, speelde Marcel Florkin een doorslaggevende rol in de ontwikkeling van de biochemie in België en publiceerde hij honderden wetenschappelijke artikels en meerdere handboeken. Op conceptueel vlak is hij de bedenker van de begrippen ‘vergelijkende biochemie’ en ‘moleculaire evolutie’, begrippen die hij in praktijk zou brengen en mee in het buitenland zou helpen verspreiden. Met zijn dynamisme en buitengewone ondernemingszin werkte hij mee aan de uitgave van meerdere referentiewerken, waaronder Comprehensive Biochemistry (36 delen, 1962-1986) en Comparative Biochemistry (7 delen, 1960-1964), en ook aan de organisatie van internationale congressen over biochemie.
De Luikse expertise in biochemie zou zich nog verder verdiepen en diversifiëren in de loop van de volgende decennia, door de ontwikkeling van onderzoekseenheden die, vooral onder de leiding van Jean-Marie Frère, Joseph Martial en Jean-Marie Ghuysen, een brede waaier van instrumenten voor proteïneanalyse en -engineering wisten in te zetten.
In de loop van de jaren '40 had de ontwikkeling van nieuwe instrumenten en protocollen een zeer grote impact op het beeld dat biologen zich van de
| |
| |
cel vormden. In het bijzonder technieken zoals de elektronenmicroscopie, de ultracentrifugering en de radioactieve tracering zouden het mogelijk maken het binnenste van de cel en structuren die onzichtbaar bleven voor de optische microscoop bloot te leggen.
Meerdere Belgische wetenschappers speelden een hoofdrol bij het op punt stellen en aanpassen van deze technieken voor de analyse van biologische weefsels. Hier dienen we de bijdragen te vermelden van Emile Henriot (1885-1961), een in België gevestigd Frans fysicus die hoogleraar was aan de Université libre de Bruxelles. De elektronenmicroscoop, ontworpen en ontwikkeld in Duitsland, was aanvankelijk niet geschikt voor de studie van levende organismen waarvan de weefsels de hevige elektronenbombardementen slecht konden verdragen. De beelden van bacteriën die met behulp van deze prototypes werden gemaakt, waren wazig en boden bijgevolg weinig informatie. Tegelijk met Ernst Ruska (1906-1988) in Duitsland bouwde Lucien Marton, een assistent van Emile Henriot, te Brussel een nieuw prototype van de transmissie-elektronenmicroscoop. Marton werkte verder aan de ontwikkeling van dit prototype in de Verenigde Staten. Hoewel deze microscoop beter geschikt was voor de studie van de biologische monsters, konden er enkel uiterst dunne structuren mee worden geobserveerd wegens de zwakke penetratiekracht van de gebruikte elektronenbundel. Men moest dus wachten op de ontwikkeling van technieken voor monsterpreparatie en op de ultramicrotoom - ontworpen door Claude en Porter in New York - om de mogelijkheden van het instrument geheel te benutten.
Daarvóór al bedacht Henriot een sterk presterende ultracentrifugemethode waarbij een rotor werd aangedreven door samengeperste lucht. Henriots prototype werd snel aangewend door Gratia en door de groep van het Rood Klooster te Brussel (zie hierna), en diende als basis voor de ontwikkeling van de befaamde Beckmann-microcentrifuges die weldra een vaste plaats zouden krijgen in de meeste laboratoria voor moleculaire biologie.
Twee Belgen aan het Rockefeller Institute te New York gebruikten deze technieken om de interne organisatie van de eukaryote cellen te onderzoeken. Albert Claude (1899-1983) had door zijn medische studies aan de universiteit van Luik vooral belangstelling voor de analyse van de oorzaken van kanker. In New York trachtte hij de kankerverwekkende oorsprong van het Rous-sarcoom te isoleren. Dankzij de ultracentrifuges van het Rockefeller Institute kon Claude celfractioneringsprotocollen ontwikkelen en wist hij het bestaan van cytoplasmakorrels van verschillende grootte aan te tonen. Reeds bij een relatief trage centrifugesnelheid sedimenteerden de ‘mitochondriën’, die een rol speelden bij het energiemetabolisme van de cel, alsook diverse membraanfragmenten. Door veel snellere centrifugesnelheden te gebruiken, slaagde Claude erin een onderscheid te maken tussen grotere en kleinere deeltjes, de zgn. ‘microsomen’. Aanvankelijk beschouwde men deze laatste als de kankerverwekkers. De biochemische analyse onthulde een samenstelling van proteïnen, nucleïnezuren en fosfolipiden. Claude toonde ook aan dat deze granula konden worden ‘geïnactiveerd’ met behulp van ultraviolette stralen, waarvan het spectrum samenviel met het absorptiespectrum van deze stralen door de nucleïnezuren. Maar controle-experimenten met gezonde weefsels onthulden al gauw het bestaan van identieke deeltjes, wat bijgevolg de specifieke rol van de microsomen in de oncogenese uitsloot.
Eveneens aan het Rockefeller Institute leidde het werk van George Pallade tot de ontdekking van nog kleinere deeltjes, de ribosomen, vaak geïsoleerd in associatie met lipide membranen afkomstig van de fragmentatie van een complex celorganel, het zgn. ‘ergatoplasma’ of ‘encoplasmatisch reticulum’. George Palade bewees dat de microsomen van Albert Claude in feite bestonden uit fragmenten van deze structuur. Nadat de ribosomen met elektronenmicroscopen werden zichtbaar gemaakt, werd snel hun rol duidelijk bij een van de meest fundamentele en typische processen van de levende wezens: de synthese van proteïnen (zie verder in deze bijdrage).
De tweede Belg die in dit verband moet worden vermeld is Christian de Duve (o1917). Zijn eerste onderzoeken hadden als ambitieuze doelstelling
| |
| |
het mechanisme te ontrafelen van de actie van insuline op de lever. Daar hij inzag dat een biochemische benadering noodzakelijk was, vulde de Duve zijn medische vorming aan met een licentie in de scheikunde. Te Leuven leidde het werk van de Duve tot de herontdekking van het hormoon glucagon, een antagonist van insuline. Door deze ontdekking mocht de Duve aan de slag in het laboratorium van Gerty en Carl Cory (Nobelprijs voor Fysiologie en Geneeskunde 1947), waar hij in samenwerking met Earl Sutherland (Nobelprijs voor Fysiologie en Geneeskunde 1971) aantoonde dat glucagon wordt aangemaakt door de α-cellen van de eilandjes van Langerhans in de alvleesklier. Terug in België bleef de Duve het gebruik van ultracentrifugetechnieken combineren met biochemische instrumenten. Na verbetering van de methode van fractionering via centrifugering in dichtheidsgradiënten, poogde de Duve de karakteristieke enzymactiviteiten van de verschillende verkregen fracties te bepalen. De verfijnde analyse van de zure fosfatase- en oxydase-activiteiten bracht de Duve en zijn medewerkers tot het karakteriseren van twee nieuwe celorganellen: de lysosomen en de peroxysomen. Dankzij deze successen mocht hij vanaf 1962 werken aan het prestigieuze Rockefeller Institute; hij bleef wel deeltijds actief aan de UCL.
Christian de Duve aan de UCL en Albert Claude aan de ULB speelden beiden een belangrijke rol in de ontwikkeling van instituten die fundamenteel én geneeskundig onderzoek integreerden en bevolkt werden met wetenschappers die de meest geavanceerde moleculaire technieken beheersten. Het Institute of Cellular Pathology (ICP) en het Institut Bordet bouwden vlug een grote internationale reputatie op. Het werk van Albert Claude en Christian de Duve werd in 1974 gezamenlijk bekroond met de Nobelprijs voor Fysiologie en Geneeskunde, een prijs die ze deelden met hun Amerikaanse collega George Palade.
| |
▪ De biologische macromoleculen
Van de vele klassen moleculen die men bij levende wezens ontmoet zijn er twee die erg belangrijk zijn geworden voor de biologen van de 20ste eeuw.
Christian de Duve met een centrifugeertoestel aan de Rockefeller University te New York ▪
Op de eerste plaats de proteïnen, waarvan sommige verrassende en gevarieerde enzymatische eigenschappen bezitten. In de eerste helft van de 20ste eeuw konden biochemici, vooral in Duitsland en Engeland, aantonen dat bepaalde proteïnen betrokken zijn bij talrijke levensnoodzakelijke chemische reacties. Deze proteïnen, die in alle levende wezens voorkomen, werden gezien als complexe verbindingen van veel verschillende componenten, gekozen onder een twintigtal aminozuren, soms aangevuld met suikergroepen. Omwille van deze fantastische eigenschappen zouden de proteïnen algemeen en tot het begin van de jaren '50 worden aanzien als de enige macromoleculen die in staat zijn de biologische variëteit en specificiteit te verduidelijken.
| |
| |
De andere klasse moleculen die steeds belangrijker zou worden in de biologie is die van de nucleïnezuren. In het begin werden twee types nucleïnezuren geïdentificeerd in zeer verschillende organismen. Het eerste, in overvloed aangetroffen in de thymus van dieren werd aanvankelijk ‘thymonucleïnezuur’ genoemd, een term die al gauw werd gewijzigd in desoxyribonucleïnezuur (DNA). Het tweede, eerst geïsoleerd in gist, werd in het begin aangeduid met de term ‘zymonucleïnezuur’, maar is nu bekend onder de naam ‘ribonucleïnezuur’ (RNA). In het begin van de eeuw had men vastgesteld dat thymonucleïnezuur (DNA) in belangrijke hoeveelheden aanwezig is in de chromosomen. Dankzij de werken van de groep van Thomas Hunt Morgan en van andere Amerikaanse genetici konden precieze correlaties worden bepaald tussen de structuur van de reuzenchromosomen van de speekselklieren van de Drosophila en de aanwezigheid van mutantkenmerken. Dit mondde omstreeks 1915 uit in de formulering van de ‘chromosomenerfelijkheidsleer’. Maar behalve de aanwezigheid van nucleïnezuren reveleerde de chemische analyse van de chromosomen ook de aanwezigheid van proteïnen, die lange tijd werden gezien als voornaamste erfelijkheidsdrager.
Het is in die context dat Jean Brachet (1909-1988), leerling van Dalcq, zich ging bezighouden met het karakteriseren van de nucleïnezuren in de loop van de oögenese van de kikvorsachtigen. Begin jaren '30 toonde Brachet met behulp van de Feulgenreactie, een recent op punt gezette cytochemische reactie, aan dat het desoxyribonucleïnezuur wel degelijk een permanent bestanddeel van de chromosomen is. Op basis van dit resultaat begon Brachet vervolgens met de analyse van de synthese van nucleïnezuren tijdens de opeenvolgende celdelingen van bevruchte eitjes.
In die tijd kwamen twee theorieën met elkaar in botsing. De eerste theorie, gesteund door onder meer Jacques Loeb (1859-1924), spitste zich toe op de idee van een de novo-synthese van de nucleïnezuren vanuit elementaire bestanddelen (fosforzuur, suikers, purine basen en pyrimidines). De tweede theorie, vooral verdedigd door de embryoloog Emil Godlewski (1847-1930), beweerde dat het cytoplasma een reserve aan nucleïnezuren bevatte die geleidelijk migreerden in de kern, waar de verdubbeling van de chromosomen plaatsvindt. De experimentele resultaten verkregen met behulp van verschillende methodes waren met elkaar in tegenspraak: enerzijds werd het behoud van de globale hoeveelheid nucleïnezuren gesuggereerd (middels de dosering purine of fosforzuur), anderzijds een effectieve synthese van desoxyribonucleïnezuur (met behulp van een reactie die specifiek de aanwezigheid van desoxyribose reveleerde). Om deze contradictie op te lossen kwam Brachet met de baanbrekende hypothese van de aanwezigheid van het andere nucleïnezuurtype in de eitjes van dieren, tot dan toe exclusief geassocieerd met de planten.
Brachet stelde vervolgens een nieuwe techniek op punt voor specifieke cytochemische bepaling van de aanwezigheid van DNA en RNA in de cel. Deze techniek, bekend als de Unna-Brachet-methode, berustte op het gebruik van enzymen die specifiek het DNA (DNAse) of het RNA (RNAse) degraderen. Met behulp van deze methode kon Brachet aantonen dat zijn hypothese over de aanwezigheid van ‘plantaardig’ nucleïnezuur bij de dieren gegrond was; hij wees erop dat het zee-egelei effectief een grote hoeveelheid RNA bevat. Meer zelfs, Brachet kon weldra de aanwezigheid van RNA bepalen in meerdere types van cellen en weefsels, zowel plantaardige als dierlijke.
Deze serie experimenten maakte het dus mogelijk celdeling en chromosomenduplicatie hecht met elkaar te verbinden door de constante aanwezigheid en zelfs een synthese van concomitant DNA. Argumenten die de fundamentele rol van het DNA in de erfelijkheidstransmissie ontkenden, waren in één klap geëlimineerd. De vergelijkende analyse van de nucleïnezuren van diverse types dierlijke en plantaardige cellen bracht Brachet tot nog een andere correlatie die later heel belangrijk zou worden. Parallel met de groep van Torbjörn Cassperson in Zweden stelde Brachet vast dat hoewel de hoeveelheid DNA per cel bijna gelijk is in de verschillende celtypes van éénzelfde organisme, de hoeveelheid RNA wel degelijk verschilt en een erg hoog niveau bereikt in de cellen die worden gekenmerkt door een intense proteïnesynthese. Wetende
| |
| |
De installaties van de groep van het Rood Klooster. Brussel, Archives de l'Université libre de Bruxelles ▪
dat het essentiële van het DNA was gelokaliseerd in de celkern en dat de proteïnesynthese voornamelijk plaatsvond in het cytoplasma (door de bovenvermelde ribosomen te laten interveniëren), zag Brachet voor het RNA een intermediaire rol weggelegd in de proteïnesynthese. Deze veronderstelling werd bevestigd door verder onderzoek, ondernomen door de ‘groep van het Rood Klooster’, genoemd naar de abdij vlakbij de laboratoria van Brachet en zijn collega's.
De bepaling van de rol van het RNA in de proteïnesynthese zorgde voor een ware revolutie wat betreft de visie op de rol van de desoxyribonucleïnezuren. Reeds in de jaren '40 hadden het werk van Oswald Avery, Colin M. MacLeod en Maclyn McCarty aan het Rockefeller Institute geleid tot het identificeren van het DNA als agens van de erfelijkheidsoverdracht van de besmettelijke bacterie pneumococcus.
Tegelijkertijd observeerde de biochemicus Erwin Chargaff intrigerende correlaties in de verhoudingen van de verschillende basen in het DNA (adenine, thymine, guanine en cytosine). In alle bestudeerde organismen lag de gemeten hoeveelheid adenine immers heel dicht tegen die van thymine, en er was evenveel guanine als cytosine. De dieperliggende reden van deze correlatie zou pas een tiental jaren later worden gevonden.
Intussen besloten meerdere Amerikaanse onderzoekers, onder impuls van Max Delbrück, zich te gaan concentreren op de analyse van een systeem bestaande uit bacteriën en een groep parasietvirussen van deze bacteriën (‘bacteriofagen’). Hun werk zou de vermoedens omtrent het DNA versterken. Vooral Alfred Day Hershey en Martha Chase (1952) toonden aan dat het DNA van de bacteriofagen het enige virusdeel is dat zelf in staat is de bacterie te penetreren en volstaat om de reproductiecyclus van het virus in te leiden.
De nucleïnezuren worden gekenmerkt door een sterke absorptieband in het ultraviolet, in de buurt van 2.600 Angström. De purine- en pyrimidinebasen die in hun samenstelling voorkomen, hebben elk een karakteristiek spectrum dat men onder enigszins andere vorm terugvindt in de meer complexe bestanddelen nucleosiden, nucleotiden en polynucleotidenketens. Omstreeks het einde van de jaren '40 werden duidelijke gegevens over deze spectra beschikbaar dankzij onderzoek van Chargaff en Hotchkiss. Te Brussel gebruikte René Thomas (o1928), die een doctoraatsthesis begon onder de leiding van Jean Brachet, deze gegevens om een
| |
| |
‘theoretisch’ spectrum te berekenen dat rekening hield met de spectra van de nucleotiden en met hun verhoudingen in het DNA-molecule. Hij constateerde dadelijk een grote discrepantie tussen de berekende absorptiecoëfficiënten (in atoomgram van P) en die van het natief DNA: de absorptiecoëfficiënt van 2.600 Angström van de bestanddelen is met bijna 40% gereduceerd in het natief DNA. Deze discrepantie verdwijnt (hyperchroomeffect), niet alleen wanneer men het DNA hydrolyseert (wat aantoont dat zij niet te wijten is aan een meetfout), maar ook, en dat is een essentieel punt, wanneer de nucleïnezuuroplossing wordt onderworpen aan een van de meerdere zachte behandelingen waarvan bekend is dat zij geen effect hebben op de covalente binding tussen nucleotiden. Besluit (sindsdien meermaals bevestigd): het natief DNA bezit een secundaire structuur van zwakke bindingen (waterstofbindingen en/of Van der Waalskrachten) verantwoordelijk voor het absorptiedeficit; deze secundaire structuur kan verdwijnen (denatureren) als gevolg van zachte condities, wat de toename van de UV-absorptie veroorzaakt.
De structuurstudie (Rosalind Franklin en Maurice Wilkins, 1953) en de modelvorming (James Watson en Francis Crick, 1953) van de DNA-moleculen te Cambridge, Engeland, zou vrij vlug het bekende ‘dubbelhelix’-model opleveren. Dit model houdt rekening met het feit dat elk stukje DNA bestaat uit een keten nucleotiden die op covalente wijze met elkaar zijn verbonden. Deze laatste kunnen ook een binding aangaan met de nucleotiden van een complementair stukje dankzij meerdere specifieke waterstofbindingen die een chemische complementariteit laten optreden tussen de basen adenine en thymine, evenals tussen de basen guanine en cytosine. Deze complementariteit van de sequenties basen die de twee stukjes van de dubbelhelix vormen, verklaart dus de correlaties die Chargaff had vastgesteld. Het model bekoorde door zijn eenvoud en schoonheid, maar bovendien suggereerde het een verleidelijk mechanisme (complementaire synthese van stukjes DNA) voor de overdracht van erfelijke informatie in de loop van de celvoortplanting.
Omstreeks het einde van de jaren '50 hebben de elegante genetische experimenten van Benzer over de recombinatie van de bacteriofagen ondubbelzinnig aangetoond dat het genetisch materiaal zich gedraagt als een lineaire verbinding van ondereenheden, en dat tot op het intragenetisch niveau. Tegelijk bewees Sydney Brenner de colineariteit tussen gen en proteïne. De onderliggende mechanismen van deze colineariteit moesten nog worden bepaald. Meerdere groepen stortten zich op de ontcijfering van de ‘genetische code’ met behulp van theoretische en experimentele instrumenten.
Daarnaast begonnen meerdere Duitse en Amerikaanse onderzoeksgroepen ernstige belangstelling te tonen voor het RNA, in het bijzonder voor zijn rol bij de overdracht van een virale ziekte die de tabaksplanten trof. Het betreffende virus, het ‘Tobacco Mosaic Virus’ of kortweg TMV, werd gezuiverd, geanalyseerd en zelfs gekristalliseerd, en dat gaf een structuur gevormd door RNA en proteïnen. Met behulp van ribonuclease (een enzym dat het RNA aantastte) en analogen van uracil (specifieke mutagene agenten van het RNA) toonde Raymond Jeener (1904-1995) te Brussel de noodzaak aan van de integriteit van het RNA voor de ziekteoverdracht. Het bewijs van het bestaan van een specifieke periode van gevoeligheid van het virus voor ribonuclease bracht Jeener tot het bepalen van een verband met de experimenten uitgevoerd op bacterievirussen (‘bacteriofagen’) door Hershey en Chase in de Verenigde Staten. Jeener zou voor het RNA van het TMV-virus een equivalente erfelijkheidsrol voorstellen, wat vrij snel werd aangetoond door infectieproeven met mutante virussen (Tsugita en Fraenkel-Conrat in de Verenigde Staten), gebruikmakend van gezuiverd viraal RNA (Gierer en Schramm in Duitsland).
Andere proeven, uitgevoerd in het Rood Klooster door Jeener, Maurice Errera, Adrienne Ficq en Perry, lieten toe een onderscheid te maken tussen verschillende RNA-fracties, gekenmerkt door een specifieke vernieuwingsgraad en welbepaalde intracellulaire lokalisaties.
In samenwerking met Hubert Chantrenne (o1918) bewees Jean Brachet de persistentie van de proteïnesynthese in eencellige geënucleëerde algen (Acetabularia), dus zonder nucleair DNA! Brachet hielp zelfs met de regeneratie van celstructuren in cel- | |
| |
fragmenten zonder kern, met inbegrip van structuren die duidelijk onder de controle vielen van genetische factoren volgens de werken van Hamerling.
Eind jaren '50 had de groep van het Rood Klooster dus een indrukwekkend geheel van experimentele resultaten bij elkaar gebracht dat duidelijk de betrokkenheid suggereerde van het RNA bij de proteïnesynthese, waarbij overdracht van erfelijkheidsinformatie van de kern naar het cytoplasma mogelijk was. Rond dezelfde tijd konden François Jacob en Jacques Monod dankzij hun onderzoek over de inductie van een bijzondere bacteriofaag en over de genetische controle van de expressie van de noodzakelijke enzymen voor het gebruik van lactose bij de bacterie Escherichia coli, komen tot een precieze definitie van de eigenschappen van het zgn. ‘messenger-RNA’ (m-RNA), dat verschilt van het ribosomaal RNA. Andere experimenten, uitgevoerd in de Verenigde Staten, toonden het bestaan en de rol aan van een specifieke RNA-fractie in de proteïnesynthese bij de bacteriën. Het boodschapper-RNA zou in de Verenigde Staten zeer snel een cruciale rol gaan spelen in de biochemische in vitro-experimenten met het oog op
Raymond Jeener en Jean Brachet in 1953. Brussel, Archives de l'Université libre de Bruxelles ▪
het ontcijferen van de genetische code. Maar het was nogmaals de groep van het Rood Klooster die als eerste een m-RNA van eukaryote cellen isoleerde, namelijk dat van konijnenhemoglobine. In samenwerking met John Gordon ging de groep van Chantrenne zelfs de specifieke rol in vivo van dit RNA aantonen; men injecteerde het in Xenopeovocyten, wat leidde tot de synthese van konijnenhemoglobine door Xenope-ovocyten!
Gesterkt door deze successen zouden Brachet, Jeener en Chantrenne, later bijgestaan door Maurice Errera, René Thomas, Paulette van Gansen, Maurice Steinert en vele anderen, voldoende financiële en institutionele steun vergaren om in het begin van de jaren '60 het eerste departement in België uit te bouwen dat volledig aan de moleculaire biologie was gewijd, met gespecialiseerde eenheden in de embryologie, de immunologie, de cytologie, de biochemie, de biofysica, de radiobiologie, de genetica en de virologie.
| |
▪ Moleculaire genetica
Meerdere Belgische onderzoekers hebben een doorslaggevende rol gespeeld in de structurele en functionele analyse van de levende organismen op moleculair niveau. Centrale concepten als ribosomen, lysosomen, m-RNA zijn verankerd in het werk van Belgische onderzoekers, actief in België of in het buitenland. Toch zou in België, waar mensen als Van Beneden en Carnoy de basis hadden gelegd van een cytologische interpretatie van de genetica, de ontwikkeling van dit domein lang stagneren. Een uitzondering hierop vormde het onderzoek in de toegepaste genetica met betrekking tot de botanica en de agronomie, bijvoorbeeld aan de Facultés agronomiques de Gembloux.
Te Brussel voelde Jean Brachet dit tekort goed aan. Hij stuurde meerdere van zijn studenten op stage naar gereputeerde buitenlandse laboratoria om er degelijke ervaring in genetica op te doen. René Thomas verbleef zo enige tijd in het laboratorium van de Ephrussi's te Parijs en in dat van Alfred Hershey te Cold Spring Harbour in de Verenigde Staten. Terug in Brussel (1958), ontwikkelde hij eigen onderzoeksprojecten over de
| |
| |
regulering van de genexpressie bij de bacteriofaag lambda.
Enkele jaren daarvoor hadden Jacob en Monod het bestaan kunnen aantonen van een bijzondere klasse genen, de zgn. ‘regulatorgenen’. Hun rol is in essentie de regulatie van expressie van andere genen die in het algemeen coderen voor diverse proteïnen. Zij hadden geponeerd dat het actiemechanisme van deze regulatorgenen een proteïne, een zgn. ‘repressor’, liet interveniëren die het DNA direct kon beïnvloeden en de transcriptie van één of meerdere naburige genen, gegroepeerd binnenin éénzelfde eenheid, het zgn. ‘operon’, kon blokkeren. De inductie van de genexpressie kon dus worden verklaard door kleine signaalmoleculen die zich kunnen binden met de repressor, waardoor de affiniteit van deze laatste voor bepaalde sites van het DNA drastisch daalt. Dit model van negatieve regulering, dat rekening hield met de resultaten voor verschillende bacteriële functies, in het bijzonder met de inductie van genen die nodig zijn voor het gebruik van de suikerlactose, werd door de meeste biologen snel aanvaard en is zelfs veralgemeend naar de regulering van de genexpressie en de differentiatie bij de hogere organismen.
In die context bewees de groep van René Thomas omstreeks het midden van de jaren '60 het bestaan van een directe positieve controle van de zgn. ‘late’ functies van de faag. Rond dezelfde tijd behaalden Engelsberg en Dove in de Verenigde Staten vergelijkbare resultaten. Vanaf dan was het onmogelijk nog langer het bestaan of het belang te ontkennen van de positieve regulatiefactoren (activering) naast de negatieve factoren (repressie) van Jacob en Monod. Op de eerste successen van de groep Thomas volgden nog veel andere, wat in eerste instantie leidde tot de ontwikkeling van een bloeiende school in bacteriegenetica. Meerdere leerlingen van Thomas gingen zich bezighouden met de regulering van de genexpressie bij de hogere organismen, van het fruitvliegje over de muis tot de mens. Een illustratie van deze bloeiperiode is de loopbaan van Jean-Pierre Lecocq (1947-1992), een leerling van Thomas die de leiding zou krijgen van het Franse bedrijf Transgène, dat onder meer aan de basis ligt van het hondsdolheidvaccin voor vossen.
Omstreeks het begin van de jaren '70 zou Thomas zelf, verbluft door de complexiteit van de reguleringen die in het geval van de faag lambda aan het licht waren gekomen, zich wagen aan de dynamische analyse van de netwerken van genregulering. Hij ontwikkelde onder meer een geavanceerd logisch formalisme dat bijzonder geschikt was voor de kwalitatieve denktrant van de genetici. Op basis van de studie van diverse reguleringsnetwerken toonde Thomas de overwegend dynamische rol aan van de circulaire reguleringsequenties of ‘terugslaglussen’. Thomas suggereerde dat de lussen of zgn. ‘positieve circuits’ (d.w.z. waarbij een even aantal negatieve interacties is betrokken) een fundamentele rol spelen in de processen van de celdifferentiatie.
De groep Thomas is lang niet de enige die op betekenisvolle wijze heeft bijgedragen tot een beter inzicht in de mechanismen van de genexpressie. Walter Fiers ( o1931) van de universiteit van Gent hield zich vanaf de jaren '60 bezig met het bepalen van de structuur en de sequentie van het genetisch
Walter Fiers, Privé-verzameling ▪
| |
| |
De eerste sequentie van een gen en de eerste sequentie van een totaal genoom werden gepubliceerd door Fiers en medewerkers, respectievelijk in 1972 en 1976. Het betrof het manteleiwitgen en het genoom van het virus Bacteriofaag MS2. De figuur toont de sequentie van het gen zoals afgebeeld in de krant The New York Times van 24 september 1972 ▪
materiaal van meerdere virussen. Tijdens een postdoctorale stage aan het California Institute of Technology bewees Fiers, in samenwerking met Sinsheimer, eerst de circulariteit van de DNA-keten van de bacteriofaag ΦΧ174. Terug in Gent begon hij met een hele reeks experimenten die hem in staat stelden om vanaf 1976 de eerste sequentie te publiceren van een compleet genoom, het virus MS2, waarvan het genetisch materiaal bestaat uit een lange RNA-keten (3.569 nucleotiden). De analyse van deze sequentie zou snel leiden tot een beter begrip van de diverse biologische eigenschappen van het virus, alsook van de structuur van de genen (begin, einde, enz.).
In de jaren '70 kreeg de snelgroeiende groep van Fiers belangstelling voor de analyse van een ander virus, het virus SV40. Dit virus met DNA is in staat zich te vermenigvuldigen in diverse stamcellen van zoogdieren, en is van groot medisch belang omwille van zijn vermogen tot inductie van de tumortransformatie van bepaalde cellen. De groep Fiers publiceerde in 1978 de complete sequentie van SV40 in het beroemde tijdschrift Nature, parallel met S. Weismann van de universiteit van Yale in de Verenigde Staten. Tegelijk stond Fiers aan de basis van de karakterisering van de eerste sequentie van een oncogen, d.i. een gen met transformatie-eigenschap. Dit werk moest eveneens de basis vormen van het onderzoek van één van de eerste ‘tumor suppressor genes’: het gen dat codeert voor de factor ‘p53’.
Een ander virus, het ‘influenzavirus’ of griepvirus, dodelijk voor de mens, ging weldra centraal staan in het onderzoek van de groep Fiers. Het werk van die groep leidde eerst tot de identificatie van de voornaamste proteïnen van het virus die door het immuunsysteem worden herkend, vervolgens tot de karakterisering van het mechanisme waardoor het virus ontsnapt aan het immuunsysteem van het geïnfecteerd organisme - een mechanisme dat zorgt voor de accumulatie van mutaties in deze doelproteïnen. De verfijnde kennis van dit mechanisme moest spoedig uitmonden in het op punt stellen van vaccins die lange tijd bescherming bieden tegen het virus.
| |
| |
De organisatie van de genen gecodeerd door het oncogeen virus SV 40. De genen ‘small-t’ en ‘large-T antigen’ zijn oncogenen, verantwoordelijk voor het tumorinducerend vermogen van dit virus. De totale sequentie van het genoom van het dierlijk virus SV 40 werd in 1978 gepubliceerd in Nature ▪
In de loop der jaren heeft de groep Fiers meer dan honderd mensen aangeworven; ze werden ondergebracht in het Laboratorium voor Moleculaire Biologie van de Faculteit Wetenschappen van de Gentse universiteit. De groep ging zich tevens richten op de cloning, sequenering en analyse van een hele reeks genen die betrokken zijn bij de immunorespons van de zoogdieren. Met behulp van ‘genetic engineering’ zouden Fiers en zijn medewerkers bijzonder veel belangstelling gaan tonen voor diverse moleculen die betrokken zijn bij de communicatie tussen de verschillende cellen van het immuunapparaat, waaronder het β-interferon, het γ-interferon en het interleukine-2, in het kader van samenwerkingscontracten met het farmaceutisch bedrijf Biogen. Deze indrukwekkende lijst werd nog aangevuld met de cloning en de karakterisering van een antikankerfactor, de ‘tumour necrosis factor’ (TNF). Al deze resultaten samen maakten de weg vrij voor diverse therapeutische strategieën, in de eerste plaats in het kader van de strijd tegen verschillende kankers.
Marc Van Montagu (o1933),een leerling van Laurent Vandendriessche, speelde eveneens een belangrijke rol in de ontwikkeling van de moleculaire biologie in België, vooral op het vlak van de planten, hun ziekteverwekkers en microbensymbionten. In navolging van Fiers handelden Van Montagu's eerste werken in essentie over de biochemische en genetische analyse van bacteriofagen, vooral de hoger vermelde RNA-bacteriofaag MS2. Terwijl Fiers zich concentreerde op de biochemische aspecten, in het bijzonder op sequenering, wierp Van Montagu zich op het isoleren van diverse mutanten (mutaties die ‘stop codonen’ introduceren (of DNA-tripletten die voor geen enkel aminozuur coderen) in het genoom van de faag, en ‘suppressor’ bacteriemutanten die in staat zijn bepaalde van deze stopcodonen te negeren). Deze mutanten kunnen een licht werpen op de functioneringswijze van de faag en zijn interactie met de gastbacterie E. coli.
In samenwerking met een andere Gentenaar, Jozef Schell (o1935), ging Van Montagu zich eveneens interesseren voor de bacteriofagen die een andere bacterie, Agrobacterium tumefaciens, infecteren. Deze bacterie bleek een erg interessante eigenschap te hebben: ze induceert de tumorvorming in bepaalde planten. Als leerling van de Gentse hoogleraar in microbiologie Joseph Deley toonde Schell belangstelling voor de taxonomie van de bacteriën, evenals voor de conjugatiemechanismen die bepaalde bacteriën toelaten DNA uit te wisselen, fenomenen die hij zich eigen heeft kunnen maken tijdens een stage in het laboratorium van Bill Hayes te Londen. Schell en Van Montagu, die materiaal en personeel deelden, gingen zich geleidelijk concentreren op de analyse van het systeem dat wordt gevormd door Agrobacterium tumefaciens en enkele planten die door deze bacterie worden geparasiteerd, vooral de in een laboratorium erg gemakkelijk te kweken Arabidopsis thaliana. Beide onderzoekers en hun medewerkers wisten op die manier geleidelijk het inductiemechanisme van plantentumoren te ontrafelen, waardoor de vitale functies van de geïnfecteerde plant worden ‘afgeleid’ ten voordele van de bacterie. De meeste bacteriefuncties die er bij betrokken zijn, werden gelokaliseerd op een plasmide, d.w.z. in een klein DNA-segment dat vreemd is aan het bacterie- | |
| |
chromosoom. Schell, Van Montagu en hun medewerkers toonden aan dat alleen de transfer van dit plasmide naar een gastheerplant volstaat om de tumorvorming te induceren.
Op basis van deze resultaten kon een efficiënte techniek voor de genetische transformatie van planten op punt worden gezet, wat de weg vrijmaakte voor ontelbare toepassingen in de agronomie. De ontwikkeling van de moleculaire plantenbiologie nam een vliegende start en de achterstand ten opzichte van de moleculaire dierenbiologie werd snel ingehaald. Hoewel Schell België verliet om directeur te worden van één van de prestigieuze Max Planck-instituten in Duitsland, bleef Van Montagu te Gent een bloeiend laboratorium leiden dat in het begin van de jaren '90 meer dan 200 personeelsleden telde. Internationaal erkend als pionier van de moleculaire plantenbiologie zorgde de groep Van Montagu ook voor meerdere belangrijke technologische innovaties in het domein van de genomenstudie of ‘genomics’ (karakterisering van de genexpressie door een methode gebaseerd op de analyse van de verdeling van de restrictiefragmenten van de m-RNA-moleculen).
De strategie van Fiers, Schell en Van Montagu, gebaseerd op de lokalisering, cloning, sequenering en analyse van de expressie van genen of virussen met een medisch of agronomisch nut, vindt zijn oorsprong in de eerste fundamentele werken van de groep over de bacteriofagen. Deze strategie werd toegepast in talrijke laboratoria over de hele wereld en zou erg succesvol blijken. Steeds meer biologen kregen vertrouwen in deze weliswaar reductionistische maar vooral benijdenswaardig efficiënte benadering van het geheel van levensfuncties in termen van genen, proteïnen en moleculaire interacties tussen beide. Deze benadering mondde in de jaren '90 uit in diverse sequenering-projecten van complete genomen van levende organismen, van de bacteriën tot de mens. Tegenwoordig zijn reeds een tiental bacteriegenomen volledig gekend, alsook het complete genoom van een eencellig eukaryoot organisme, de gist Saccharomyces cerevisiae. Dat laatste resultaat is verkregen in het kader van een opmerkelijk internationaal samenwerkingsproject van tientallen Europese laboratoria, gestart
In 1980 isoleerden Fiers en medewerkers, in samenwerking met twee andere Belgische laboratoria, het menselijk Interferon-β gen, en zij waren de eerste om dit gen in bacteriën tot expressie te brengen. Een figuur uit de publicatie in Nature toont de scheiding volgens groote, van eiwitten afkomstig van de getransformeerde bacteriën, op de verwachte plaats werd inderdaad menselijke interferon activiteit aangetoond ▪
De Tumor Necrose Factor - gen van de muis - werd in 1985 te Gent geïsoleerd door de groep Fiers. Men toonde aan dat in samenwerking met interferon-γ TNF inderdaad diverse tumoren bij de muis doet regresseren. De figuur toont een atoommodel van het trimeer TNF. Deze factor interageert met twee verschillende receptoren op de cellen. Aminozuurresten betrokken bij deze interacties werden geïdentificeerd en op deze basis werden TNF mutanten gemaakt die slechts op één van beide receptoren binden. Wegens ernstige toxiciteit wordt TNF slechts op zeer beperkte schaal toegepast in de kankertherapie. TNF is echter de belangrijkste factor verantwoordelijk voor chronische ontstekingen: daarom worden anti-TNF geneesmiddelen veelvuldig, en met succes, toegepast onder meer voor behandeling van reumatoïde artritis en de ziekte van Crohn ▪
| |
| |
Marc Van Montagu en Josef Schell. Gent, Universiteit Gent, Faculteit Wetenschappen ▪
op initiatief van André Goffeau (UCL). Onder meer de Brusselse groep van Marcelle Granson en zijn opvolger Bruno André nam er aan deel. De sequenering van het genoom van het eerste meercellige organisme, een draadworm, is sinds kort voltooid in Engeland, terwijl de genomen van de drosophila en van de plant A. thaliana in de loop van het jaar 2000 afgewerkt worden, onder meer dankzij de medewerking van de groep Van Montagu uit Gent. De complete sequentie van een modelgenoom van de mens, het resultaat van een assemblage van sequenties die afkomstig zijn van diverse celstammen en van verschillende individu's, zou binnen enkele jaren moeten zijn voltooid.
Hoewel zeer recent, heeft de systematische sequenering van genomen de manier van werken van de biologen al sterk veranderd. Ze worden steeds meer geconfronteerd met de noodzaak om een zeer groot aantal sequenties te stockeren, te ordenen, te vergelijken en te analyseren, waardoor ze noodzakelijkerwijs hun toevlucht moeten nemen tot krachtige computers en software. Een nieuwe discipline is reeds in ontwikkeling: de bio-informatica. De analyse van de al voltooide genomen heeft geleid tot meerdere verrassende vaststellingen. Een belangrijk deel (circa een derde) van de genen die in deze genoomsequenties zijn geïdentificeerd, lijkt op niets dat al gekend was. Bovendien levert de vergelijking tussen de genomen belangrijke informatie over de origine en de diversificatie van de levende organismen. De vergelijkende analyse van de genoomsequenties en van de gebruiksfrequentie van de verschillende DNA-tripletten die voor eenzelfde aminozuur coderen, suggereert het bestaan van mechanismen voor horizontale transfers van gengroepen tussen verschillende soorten.
De technologische component neemt een steeds belangrijker plaats in: cf. de ontwikkeling van machines voor automatische sequenering en - vooral tijdens de laatste jaren - het op punt stellen van technieken voor simultaananalyse van de expressie van duizenden parallelgenen (‘DNA chips’). Daar elk van deze machines miljoenen kost, wordt het voor laboratoria van bescheiden
| |
| |
omvang steeds moeilijker om ze te verwerven. Het blijkt dus meer en meer noodzakelijk een associatie aan te gaan met andere groepen op Belgisch, Europees of mondiaal niveau. Vlaanderen is zich van deze noodzaak bewust. Recentelijk heeft het een netwerk van laboratoria gevormd, een soort instituut ‘zonder muren’ dat ruime middelen krijgt van het gewest om mee te dingen naar de fantastische wetenschappelijke en economische inzet aangereikt door de nieuwe biotechnologie.
| |
▪ Van het organisme tot het ecosysteem
Veel markante ontwikkelingen van de 20ste-eeuwse biologie blijken in essentie het resultaat te zijn van een steeds fijnere analyse van de karakteristieke structuren en processen van de levende wezens tot op het moleculaire niveau. Dat betekent echter niet het einde van studies van de levende wezens op macroscopisch niveau. Integendeel, tegelijkertijd is een omgekeerde tendens merkbaar naar een geïntegreerde analyse van de diergemeenschappen en van hun afhankelijkheids- of competitieverhoudingen. De vestiging van meerdere onderzoeksstations in Wallonië, aan de kust en in Brussel maakt de ontwikkeling mogelijk van universitaire onderzoeksprojecten die nauw verband houden met terreinstudies. De algemene achteruitgang van het milieu in België zette onze zoölogen en botanisten aan tot steun en deelname aan het beheer van meerdere natuurreservaten.
Te Luik bijvoorbeeld specialiseerde een equipe onder impuls van Marcel Dubuisson zich in marinebiologie of ‘oceanologie’; zij stimuleerde onder meer de creatie van een internationaal oceanografisch station op Corsica en de ontwikkeling van een gespecialiseerd derde cyclusprogramma aan de universiteit van Luik.
Daarnaast namen veel Belgische biologen deel aan wetenschappelijke expedities in het buitenland, voornamelijk in de streek van de grote meren in Midden-Afrika. Zij brachten talrijke biologische monsters mee die onze natuurhistorische musea verrijkten en als basis dienden voor nieuwe studies in de systematiek en de vergelijkende anatomie.
Met een dergelijke traditie en de vele groepen onderzoekers en leraars in systematiek en planten- en dierenanatomie kon België niet achterblijven wat betreft de ontwikkeling van nieuwe biologische disciplines zoals de ethologie of de ecologie. Te Gent verrichtte Victor Willem (1866-1952), wiens onderzoek praktisch alle takken van het dierenrijk beslaat, pionierswerk in beide disciplines. Te Leuven maakten de werken van Georges Thinès (o1923) over het gedrag van vissen de precisering mogelijk van de voorwaarden en de beperkingen van hun visuele perceptie. Te Brussel wees Léo Errera als één van de eersten op het belang van simultane studie van soorten in interdependentie-interactie, in het bijzonder de insecten en de geassocieerde bloemen. Veel later maakte de botanist Paul Duvigneaud de ecologie tot hoofddiscipline en legde hij de basis van de stadsecologie. Eveneens in Brussel leidden Jacques Pasteels' werken over diverse insectengemeenschappen tot een verklaring van de vaak als complex waargenomen sociale gedragingen in termen van relatief eenvoudige individuele gedragingen.
Dergelijke gedetailleerde analyses van de relaties tussen individuen en soorten binnen gemeenschappen en ecosystemen hebben niet alleen een fundamenteel belang in de biologie, maar kunnen tevens leiden tot het uitwerken van nieuwe strategieën in toegepaste domeinen zoals de agronomie. Als voorbeeld kunnen we de werken vermelden van Raymond Mayné (1887-1971) over diverse schadelijke insecten in België en Afrika. Mayné, hoogleraar en later rector van het Institut agronomique de l'Etat te Gembloers, en gedurende lange tijd directeur van het Station d'Entomologie de l'Etat, was één van de eersten die zich bezighield met het bevorderen van de biologische bestrijding van schadelijke dieren, in het bijzonder de Doryphora, een echte plaag voor de aardappelteelt.
| |
▪ Besluit
Deze korte verkenning van de Belgische hedendaagse biologie leidt tot een reeks vragen over de academische organisatie van de biologische wetenschappen en over de evolutie daarvan. De historische
| |
| |
banden tussen de biologische disciplines enerzijds en de geneeskunde en agronomie anderzijds blijken immers zo nauw te zijn dat het artificieel lijkt wanneer men ze wil scheiden. Vooral fundamentele en toegepaste aspecten zijn onomstotelijk onderling afhankelijk.
Mensen zoals Bordet, Claude, de Duve, Florkin, Jeener, Fiers, enz. hebben immers steeds op grond van in wezen fundamenteel onderzoek de instrumenten aangeleverd tot het karakteriseren van de biologische structuren en mechanismen die aan de basis liggen van de ontwikkeling van talrijke pathogene microben of van de gesofisticeerde verdedigingsreacties van de zoogdieren. Het is duidelijk dat de belangrijke concepten en instrumenten die daaruit zijn voortgekomen een waaier van gespecialiseerde disciplines op de grens tussen de geneeskunde en de biologie tot bloei hebben gebracht: de microbiologie, de virologie, de immunologie, de oncologie. Het lijkt dan ook zinloos, ja zelfs contraproductief, om de zgn. ‘toegepaste’ disciplines te willen onderscheiden of voortrekken, bijvoorbeeld in de biomedische sector, vooral wanneer dit leidt tot een zekere marginalisering van het fundamenteel onderzoek, de essentiële inspiratiebron en leerschool voor nieuwe toepassingen.
Deze korte historische schets leert ons tevens dat de klassieke indeling van de biologie zelf in diverse disciplines voorbijgestreefd is, in het bijzonder het nog steeds bestaande onderscheid tussen botanica en zoölogie in de Belgische universiteitscursussen. De wetenschappelijke relevantie van dit onderscheid is volledig achterhaald als gevolg van de dubbele beweging die én de moleculaire verwantschappen én de ecologische relaties die dieren en planten verenigen aan het licht bracht. Een groot deel van de nieuwe ontwikkelingen in de biologie is wel degelijk het resultaat van multidisciplinaire benaderingen, met als treffend voorbeeld de moleculaire biologie, die is geboren uit de combinatie van onderzoek in de biologie, de scheikunde, de fysica en zelfs, hoewel recenter, de informatica en de wiskunde. Ook aan de andere kant van het spectrum van de biologische onderzoekingen, d.w.z. in het kader van de studie van de ecosystemen, merken we de betrokkenheid van diverse wetenschapsdisciplines: de geologie, de geofysica en de wiskunde.
Tenslotte blijken de twee karakteristieke tendensen van de ontwikkeling van de hedendaagse biologie sterk complementair: de recente vooruitgang in de ecologie en de systematiek is meer en meer te danken aan moleculaire instrumenten en concepten, terwijl het diepere inzicht in de oorsprong en de structuur van de op moleculair niveau gekarakteriseerde regulatiesystemen hun integratie vereist in functionele schema's op macroscopisch niveau. Ongetwijfeld kan het meest significante punt van contact - men zou kunnen zeggen van verstrengeling - tussen deze twee benaderingen van het leven worden gesitueerd in de hedendaagse opvatting van de evolutie, die de gesofisticeerde mutatiemechanismen op moleculair niveau en de systeemanalyse van de selectiefactoren beklemtoont. Wil men op betrouwbare en duurzame wijze kunnen reageren op de uitdagingen waaraan de biologen, artsen en agronomen van morgen het hoofd zullen moeten bieden, dan lijkt het essentieel dat de ontwikkeling, de coëxistentie of zelfs de synergie tussen deze verschillende benaderingen van het leven wordt verzekerd, zowel in de universitaire opleidingen als in de onderzoekslaboratoria.
|
|
Auteursrechtelijk beschermd