Drew Berry: Animaties van onzichtbare biologie

Wat ik jullie ga laten zien, zijn de verbazingwekkende moleculaire machines die het levende weefsel van je lichaam creëren. Nu zijn moleculen heel, heel klein. En met klein bedoel ik heel klein. Ze zijn kleiner dan de golflengte van licht, dus kunnen we ze niet direct waarnemen. Maar door de wetenschap hebben we een redelijk goed idee van wat er aan de hand is op moleculaire schaal. We kunnen praten over moleculen, maar we hebben geen directe manier om moleculen te laten zien.

Een manier om dit op te lossen, is tekeningen maken. Dat doen we al langer. Wetenschappers hebben altijd al gebruik gemaakt van tekeningen als onderdeel van hun denk- en ontdekkingsproces. Ze tekenen wat ze waarnemen met hun ogen, met behulp van technologie, zoals telescopen en microscopen, en ook hoe ze het zich voorstellen. Ik neem twee bekende voorbeelden, zeer bekend omdat ze wetenschap weergeven door middel van kunst.

Ik begin met Galileo, die 's werelds eerste telescoop bouwde om naar de maan te kijken. Hij veranderde ons begrip van de maan. In de perceptie van de 17e eeuw was de maan een perfecte hemelse sfeer. Maar Galilei zag een rotsachtige, dorre wereld, wat hij weergaf in zijn aquarel.

Een andere wetenschapper met zeer grote ideeën is de superster van de biologie, Charles Darwin. Met deze beroemde vermelding in zijn notitieboekje begint hij in de linkerbovenhoek met "Ik denk" en dan schetst hij de eerste boom van het leven. Dat is zijn idee van hoe alle soorten, alle levende wezens op aarde verbonden zijn door evolutionaire geschiedenis: het ontstaan van soorten door natuurlijke selectie en divergentie vanuit een voorouderlijke populatie.

Zelfs als wetenschapper vond ik vaak lezingen door moleculaire biologen volledig onbegrijpelijk door de rare technische taal en jargon waarmee ze hun werk beschreven. Totdat ik de kunstwerken van David Goodsell tegenkwam. Hij is moleculair bioloog aan het Scripps Instituut. Al zijn beelden zijn nauwkeurig en op schaal. Zijn werk toont me hoe de moleculaire wereld in ons eruit ziet.

Dit is een doorsnede door bloed. In de linkerbovenhoek zie je dat geelgroene gebied. Dat stelt de vloeistoffen van het bloed, vooral water dus, voor, maar ook antilichamen, suikers, hormonen, dat soort dingen. Het rode gebied is een doorsnede door een rode bloedcel. Die rode moleculen zijn hemoglobine. Ze zijn echt rood en geven het bloed zijn kleur. Hemoglobine werkt als een moleculaire spons om de zuurstof in je longen op te nemen en mee te nemen naar andere delen van je lichaam.

Dit beeld inspireerde me vele jaren geleden. Ik vroeg me af of we met computerbeeldvorming de moleculaire wereld konden voorstellen. Hoe zou het eruit zien? Zo begon ik eraan. Hier komt het.

Dit is DNA in zijn klassieke dubbele-helixvorm. Het komt van röntgenkristallografie, dus is het een nauwkeurig model van DNA. Als we de krul uit de dubbele helix halen en de twee strengen losmaken, zie je die dingen die lijken op tanden. Dat zijn de letters van de genetische code, de 25.000 genen die in je DNA geschreven staan. Dat is wat ze meestal de genetische code noemen, waar ze het meestal over hebben. Maar ik wil praten over een ander aspect van DNA-wetenschap, namelijk de fysieke aard van DNA. Het zijn twee strengen die in tegengestelde richting lopen om redenen waar ik nu niet kan op ingaan. Maar ze lopen fysiek in tegengestelde richting, met als gevolg een aantal complicaties voor je levende cellen. Vooral dan wanneer DNA wordt gekopieerd.

Ik ga jullie nu een nauwkeurige weergave tonen van de werkelijke DNA-replicatiemachine die aan het werk is in je lichaam, op zijn minst in biologie van 2002. DNA komt van de linkerkant de productielijn binnen. Dan trekt een verzameling biochemische miniatuurmachines de DNA-strengen uit elkaar en maakt er een exacte kopie van. DNA komt een blauwe, donutvormige structuur binnen en wordt uit elkaar gescheurd in twee strengen. Een streng kan direct worden gekopieerd. Je ziet deze dingen er hier onderaan uitkomen. Maar voor de andere streng liggen de zaken niet zo eenvoudig omdat ze achterwaarts moet worden gekopieerd. Ze wordt herhaaldelijk in lussen gegooid en sectie per sectie gekopieerd om twee nieuwe DNA-moleculen te creëren.

Miljarden van deze machines zijn op dit moment in jou aan het werk en kopiëren je DNA met grote getrouwheid. Het is een accurate weergave op ongeveer de juiste snelheid voor wat er in je gebeurt. Foutcorrectie en een heleboel andere dingen heb ik weggelaten. Dit is werk van een aantal jaren geleden. Dank je.

Dit is werk van een aantal jaar geleden, maar wat nu komt is heet van de naald. We beginnen weer met DNA. Het zit te wriemelen door de omringende soep van moleculen die ik heb weggelaten, zodat jullie wat kunnen zien. DNA is ongeveer twee nanometer breed, echt heel klein. Maar in elk van je cellen is elke DNA-streng ongeveer 30 tot 40 miljoen nanometer lang. Om het DNA georganiseerd te houden en de toegang tot de genetische code te regelen, zit het rond paarse eiwitten gewonden - of liever gezegd heb ik ze hier paars gelabeld. Het is verpakt en gebundeld. Alles in het gezichtsveld wordt ingenomen door één enkele DNA-streng. Dit enorme DNA-pakket heet een chromosoom. Daar komen we dadelijk op terug.

We trekken terug, zoomen uit door een porie van de celkern. Dat is de toegangspoort tot het afgescheiden gedeelte waar alle DNA in zit, namelijk de celkern. Dit gezichtsveld omvat een semester biologie en ik heb zeven minuten. Gaat dat vandaag nog lukken? "Nee", krijg ik te horen, "Nee."

Zo ziet een levende cel er uit onder een lichtmicroscoop. Het werd onder time-lapse gefilmd, daarom kan je het zien bewegen. De kernomhulling verdwijnt. Deze worstvormige dingen zijn de chromosomen. Daarop zullen we ons focussen. Ze ondergaan een zeer opvallende beweging gericht op kleine rode vlekjes. Wanneer de cel zich klaar voelt om te gaan, worden de chromosomen van elkaar gescheurd. Een set DNA gaat naar de ene kant, de andere kant krijgt de andere set DNA - identieke kopieën van DNA. Dan splitst de cel in het midden. Nogmaals, op dit moment ondergaan miljarden cellen dit proces nu in je.

Nu gaan we even terugspoelen, ons richten op de chromosomen, kijken naar de structuur en die beschrijven. Hier vormt zich de 'evenaar'. De chromosomen stellen zich op. We zonderen een chromosoom af, trekken het eruit en werpen een blik op de structuur. Dit is een van de grootste moleculaire structuren die je kan hebben, voor zover wij dat tot nu toe in ons ontdekt hebben. Dit is één chromosoom. Je hebt twee DNA-strengen per chromosoom. Een daarvan is opgewonden tot een worstje, de andere streng tot een ander worstje.

De fijne draden die er aan beide kanten uitsteken, zijn de dynamische steigers van de cel. Ze heten mircrotubuli. Die naam is niet belangrijk. Maar kijk naar het gebied dat ik hier rood heb gemerkt. Het is de schakel tussen de dynamische steigers en de chromosomen. Het speelt duidelijk een centrale rol bij de beweging van de chromosomen. We hebben eigenlijk geen idee hoe die beweging ontstaat.

We bestuderen deze kinetische boog nu al meer dan honderd jaar intens en we staan nog maar aan het begin van het begrijpen ervan. Hij is samengesteld uit ongeveer 200 verschillende soorten eiwitten, duizenden eiwitten in totaal. Hij geeft signalen af. Via chemische signalen vertelt hij de rest van de cel wanneer hij klaar is, wanneer hij voelt dat alles is uitgelijnd en klaar om te gaan voor het scheiden van de chromosomen. Hij is in staat om te koppelen aan de groeiende en krimpende microtubuli.

Hij is betrokken bij de aanmaak van de microtubuli en hij kan er tijdelijk mee koppelen. Het is ook een systeem dat reageert op een situatie. Het is in staat om te voelen wanneer de cel klaar is, wanneer het chromosoom correct is geplaatst. Hier wordt het groen omdat het voelt dat alles klaar is. Maar kijk: een klein laatste stukje blijft rood. Het wandelt weg langs de microtubuli. Doordat het signaal-omroepsysteem het stopsignaal uitzendt. Daar gaat het. Zo mechanisch gaat dat. Het is een moleculaire klok.

Zo gaat dat op moleculaire schaal. Nog wat leuke moleculaire dingen zijn de kinesinen, die oranje dingen. Het zijn kleine moleculaire koeriermoleculen die één kant uitlopen. Hier zijn dyneïnen. Ze verzorgen dat omroepsysteem. Met hun lange 'benen' kunnen ze over obstakels heenstappen enzovoort. Nogmaals, dit is allemaal gestoeld op wetenschappelijk onderzoek. Het probleem is dat we het jullie niet op een andere manier kunnen laten zien.

Verkennen aan de grens van de wetenschap, aan de grens van het menselijk begrip is verbluffend. Het ontdekken van deze dingen is zeker een aangename prikkel om wetenschappelijk werk te doen. Maar voor de meeste medische onderzoekers is het ontdekken van deze dingen gewoon een stap op weg naar de grote doelen: ziektes uitroeien, lijden en ellende veroorzaakt door ziekte uitroeien en mensen uit de armoede krijgen.

Dank je.

(Applaus)