Chemie in de levende cel

Prof. dr. ir. Jan van Hest
Hoogleraar Bio- Organische Chemie
Radboud Universiteit Nijmegen

Schematische weergave van een kunstmatig organel

Chemie in de levende cel

De belangrijkste wetenschappelijke ontwikkeling in mijn vakgebied is de mogelijkheid om op een gecontroleerde manier chemie te bedrijven in een levende cel. De cel heeft natuurlijk al jaren nadrukkelijk de aandacht gehad van de biologie, die erin geslaagd is om biologische processen met een steeds hogere mate van nauwkeurigheid in kaart te brengen. Daarbij is specifiek gekeken hoe biomoleculen in de cel met elkaar communiceren en samenwerken. Om echter dit inzicht verder te vergroten, moeten we in staat zijn om individuele moleculen te volgen in hun natuurlijke omgeving; we willen weten wanneer ze aangemaakt worden en wanneer ze weer verdwijnen. We willen moleculen selectief kunnen aanschakelen en uitzetten. Hiervoor is chemie noodzakelijk die zowel zeer selectief als efficiënt is en die in een levende omgeving zijn werk kan doen, zonder dat er schade ontstaat aan het organisme. Hoewel dit een zeer complexe opgave lijkt door de enorme variëteit aan moleculen en functionaliteiten die zich in de cel bevinden, hebben chemisch biologen in de afgelopen tien jaar een veelvoud aan methoden ontwikkeld die dit mogelijk maken. We bevinden ons nu in een situatie dat deze instrumenten hun intrede gaan doen in de celbiologie, en de eerste resultaten zijn al spectaculair. Onderzoekers in de VS hebben bijvoorbeeld twee soorten biomoleculen in een zebravissen-embryo selectief gelabeld met twee kleurstoffen, waarbij de aanmaak van deze moleculen zichtbaar wordt tijdens de ontwikkeling van dit embryo tot zebravis. We hebben de beschikking over kleine moleculen die, als ze door de cel worden opgenomen, 1 specifiek eiwit laten verdwijnen, zodat we een beter beeld kunnen krijgen over de desbetreffende functie. We zijn in staat om het aantal aminozuren dat ingebouwd wordt in eiwitten uit te breiden van 20 naar rond de 100, waarbij het aantal functies dat aanwezig is in eiwitten enorm is toegenomen.

De ambities van de chemische biologie gaan echter nog een stap verder. Als je de cel puur chemisch bekijkt is het een uiterst complexe verzameling van moleculen die door groepering en positionering via niet-covalente krachten een functioneel systeem oplevert. In principe zou je dus een cel kunnen opbouwen door al deze onderdelen op de juiste manier te assembleren. De grote uitdaging van het vakgebied is om te kijken hoe ver we kunnen gaan met deze vorm van zelfassemblage. Zijn we in staat om een synthetische cel te maken vanuit zijn basisbouwstenen? Als we hier in slagen, zou dit een enorme doorbraak betekenen voor wat we als mensen kunnen construeren. Deze uitdaging wordt als zó complex ervaren dat veel wetenschappers vermoeden dat we hier nooit in zullen slagen. Toch wordt er op dit gebied veel vooruitgang geboekt.

Er zijn minuscule eiwitfabriekjes ontwikkeld, door alle componenten die de cel gebruikt om eiwitten te produceren op te sluiten in een nanocapsule. Deze capsules zijn zelfs in staat om hun eigen communicatiekanalen met de omgeving aan te maken. Ook worden delen van de cel nagebouwd. Zelf zijn we er recent in geslaagd om een kunstmatig organel te maken. Dit is een capsule waarin we een enzym gebracht hebben dat oxidatieve stress in een cel kan neutraliseren. We hebben aangetoond dat zo’n capsule door levende cellen wordt opgenomen en getolereerd, en inderdaad zijn functie uitvoert. Niet alleen vanuit de chemie wordt er hard gewerkt aan de synthetische cel, ook biologen proberen leven na te maken door een kunstmatig genoom te construeren dat de minimale informatie bevat om een cel levend te laten zijn. De recente ontwikkelingen in het lab van Craig Venter laten zien dat deze benadering op den duur echt levensvatbaar is.

Wat heeft onze maatschappij aan deze grensverleggende activiteiten? Natuurlijk levert dit onderzoek veel kennis op hoe we slimme moleculen kunnen ontwerpen en maken die hun specifieke werking uitvoeren in de cel. Dit zal onze fundamentele kennis op het gebied van het functioneren van de cel aanzienlijk vergroten. Het blijft echter niet bij fundamentele kennis. Wanneer je moleculair inzicht hebt hoe een biologisch proces werkt, kun je ook te weten komen wat er moleculair mis kan gaan. Deze benadering zal er toe leiden dat we efficiëntere, op maat gemaakte geneesmiddelen kunnen ontwikkelen die ziekten kunnen voorkomen of symptomen beter kunnen bestrijden. Het werk aan de synthetische cel kan ons helpen beter te begrijpen wat leven is en of we in staat zijn om een zodanige controle te krijgen over materie dat een (primitieve) vorm van leven kunstmatig na te bouwen is. Deze ontwikkeling kan daarmee een belangrijke invloed hebben op ons wereldbeeld.


Andere bijdragen in Cellen, Leven maken, Medicatie, Scheikunde