Onderzoek in de moleculaire genetica

De start van een onderzoek

Het onderzoek van dr. Remus Dame, dat nu ergens halverwege is, heeft betrekking op de werking van en verschillen tussen architecturele eiwitten, hun onderling samenspel en hun rol in de regulatie van gentranscriptie (het kopiëren van DNA in RNA) binnen de twee domeinen Archaea en bacteriën. Er zijn in alle drie domeinen van het leven meerdere soorten architecturele eiwitten. De hypothese van het onderzoek is dat hoe verschillend deze eiwitten in de drie domeinen (archaea, eukaryoten en bacteriën) ook zijn, ze altijd uiteenvallen in deze drie klassen: DNA-buigers, DNA-wikkelaars en DNA-bruggers .

Hierbij zijn we bij het eerste belangrijke punt van onderzoek doen aangekomen, namelijk het opstellen van een hypothese. In de moleculaire biologie worden deze hypothesen vooral geformuleerd op basis van eerder onderzoek, vraagstellingen kunnen bijvoorbeeld voortkomen uit onverwachte resultaten of toevallige vondsten uit een eerder onderzoek. Dit neemt niet weg dat het bestuderen van vakliteratuur ook inspiratie tot nieuwe soorten hypothesen kan geven, aldus dr. Remus Dame.

Bij het formuleren van een hypothese moet een onderzoeker een keuze maken tussen twee soorten hypothesen. De eerste soort hypothesen is erg specifiek en van groot belang voor het onderzoek. Het onderzoek heeft dan maar één doel: het aantonen van die hypothese. De tweede soort hypothesen is veel breder, hoogstwaarschijnlijk correct en het onderzoek heeft dan ook niet het hoofddoel om deze hypothesen aan te tonen. Wel vormen zij een goede leidraad voor het onderzoek. Deze hypothesen worden vooral gebruikt in gebieden van de wetenschap waar weinig over bekend is en waarvoor het dus ook moeilijk is een doelgerichte hypothese van de eerste soort op te stellen.

Het mag duidelijk zijn dat de hypothese bij dit onderzoek van Dame van de tweede soort is. De richtlijn is dan ook niet om de waarheid van de in de vorige paragraaf genoemde hypothese aan te tonen, maar meer om te kijken naar de verschillen tussen de drie klassen architecturele eiwitten: ‘Er kunnen onverwachte details tevoorschijn komen’, aldus dr. Remus Dame. Hij gaat onderzoekend te werk en zit niet vast aan een hypothese. Zo verwijst hij met onverwachte details naar het feit dat binnen de domeinen van het leven al tussen de architecturele eiwitten grote verschillen voorkomen en de verwachting dus is dat tussen de twee onderzochte domeinen onderling de verschillen nog groter zullen zijn en dus ‘onverwachte details’ teweeg kunnen brengen. Maar een idee wat deze details exact zijn heeft Dame niet, wel een algemene verwachting.

Architecturele eiwitten

Architecturele eiwitten omhullen de nucleotiden op het DNA. Ze spelen een cruciale rol in de genetica bij onder andere het aflezen van genen (genexpressie) en het kopiëren van DNA (DNA-replicatie). Maar ook bij het compact opvouwen van twee meter lang DNA tot chromosomen van een paar micron en het beschermen tegen externe invloeden, zoals mutagenen en carcinogenen, ter voorkoming van mogelijk gevaarlijke mutaties op het DNA die tot kanker kunnen leiden. Kortom leven, zoals wij dat kennen, zou niet mogelijk zijn zonder deze eiwitten.

Waarborging van kwaliteit

Tijdens onderzoek doen moet de betrouwbaarheid gewaarborgd blijven en mogen de resultaten niet verstoord worden door de meetapparatuur om de validiteit van het onderzoek te handhaven. Deze twee factoren zijn een belangrijke overweging, maar niet altijd makkelijk te garanderen. Als in deze twee domeinen namelijk fouten worden gemaakt, leidt dat tot misleidende conclusies en kan een hele tak van de wetenschap in diskrediet worden gebracht. Neem nou de controverse rondom het klimaatonderzoek: een paar fouten in het IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) verslag van duizenden pagina’s dik hebben al effect op het globale klimaatbeleid gehad. Daar komt nog bij dat het vaak moeilijk is de grens te trekken tussen doelbewust achterhouden/verkeerd verwerken van data en onderzoeksfraude. Kortom het is zeer belangrijk dat het onderzoek correct wordt uitgevoerd en alle twijfelgevallen duidelijk worden vermeld.

De betrouwbaarheid van onderzoek in de moleculaire genetica wordt door controles gezekerd, bijvoorbeeld door een controlegroep te gebruiken. Bij deze groep worden dan geen variabelen gebruikt uit het onderzoek. Als bijvoorbeeld bij een onderzoek naar een eiwit de werkzaamheid van een enzym wordt onderzocht, maar de gemeten verandering eigenlijk niet aan het enzym ligt, zou het toch aan een niet werkend enzym kunnen worden toegeschreven, als er tenminste een controlegroep was ingezet.

De validiteit van een onderzoek waarborgen is echter moeilijker. Validiteit wil zeggen dat de apparatuur daadwerkelijk de dingen meet, die het zou moeten meten. Het probleem is vaak dat het niet mogelijk is om zonder interventie (ingrijpen) in een systeem onderzoek te doen, en dat beïnvloedt de validiteit van de resultaten sterk. Bij het in vivo bestuderen van architecturele eiwitten wordt bijvoorbeeld vaak het fluorescerende materiaal GFP gebruikt om de eiwitten te labellen, maar in het geval van archaea zou dat geen valide resultaten opleveren want archaea zijn heel klein, waardoor het labellen met het relatief grote materiaal GFP het systeem zou verstoren. Daarom moeten er bij archaea andere methoden gebruikt worden, bijvoorbeeld optische onderzoeken. Dit wordt echter wel vermeld in de publicatie.

Het is verder logisch dat het veranderen van meetapparatuur tussen de metingen door tot niet valide resultaten kan leiden. Andere apparatuur kan namelijk net andere variabelen gebruiken om een meting te verwerken, of bijvoorbeeld een ongewenste correctie over de data uitvoeren. De resultaten, die uit twee typen apparatuur komen, moeten dan telkens naar elkaar vertaald worden. Ook al is dit voor een erg breed onderzoek zoals dit meestal geen probleem, het kost wel geld en extra inspanning van de onderzoeker. We gaan zometeen nog in op de serendipiteit die nieuwe technieken teweeg hebben gebracht in de moleculaire genetica. Serendipiteit houdt toevallige vondsten in, die tijdens een onderzoek zijn gevonden, maar waar in dat onderzoek niet naar gezocht werd.

Genen: Eiwitten of nucleotiden

Wetenschappers hebben lang geen consensus kunnen bereiken over de vraag of genen op chromosomen van organismen uit eiwitten bestaan of uit lange nucleotidereeksen met vier soorten basen (DNA). Hoewel experimenten in de loop van de twintigste eeuw steeds meer in de richting van de nucleotiden wezen, konden wetenschappers dit moeilijk geloven, omdat nucleotidereeksen te simpel opgebouwd leken om de werking van genen op het lichaam te kunnen verklaren. Pas in de jaren vijftig werd door experimenten van Alfred Hershey en Martha Chase overtuigend aangetoond dat DNA, bestaande uit nucleotiden, de erfelijke drager was. De kracht zat niet in de complexititeit, maar in de volgorde van de nucleotiden. Iedere drie nucleotiden coderen voor een aminozuur en er zijn ongeveer 20 aminozuren, dus twintig ‘genetische letters’, bijna zo groot als ons alfabet. 

Technieken

In de moleculaire genetica is het voortdurend verbeteren van technieken en technologieën essentieel. Het onderzoek en de vooruitgang van de wetenschap hangen hier sterk van af. Het gebruik van nieuwe technieken bevordert de validiteit van de resultaten. Nieuwe methoden maken het namelijk meestal mogelijk om onderzoek te doen naar een systeem zonder het te verstoren of het in ieder geval minder te verstoren. Ook kan er dan meer precieze of diepgaande informatie verkregen worden. Bij onenigheid over de structuur van het architecturele eiwit H-NS bijvoorbeeld bleek na een tijd dat het mogelijk is dat verschillende – inconsistente – resultaten veroorzaakt werden door een nog onbekende eigenschap van het eiwit: de elasticiteit van het eiwit.

De verbetering van dit soort technieken heeft ook onverwachte resultaten opgeleverd. In de jaren zeventig waren onderzoekers ervan overtuigd dat bacteriën histonen zouden hebben, en zochten deze met elektronenmicroscopen. Later, toen onderzoekers atoomkrachtmicroscopen tot hun beschikking kregen, bleek echter dat bacteriën geen histonen hadden. Als men experimenten had bedacht, ervan uitgaand dat bacteriën wel histonen zouden hebben, zou het onmogelijk zijn geweest te voorspellen tot welke conclusies men was gekomen, maar het is wel bijna zeker dat die conclusies fout waren geweest. Dit is tegelijk ook een voorbeeld van hoe slechte technieken een schadelijk effect kunnen hebben.

Een ander opvallend punt is dat er een soort taakverdeling tussen onderzoeksgroepen binnen de moleculaire genetica schijnt te bestaan. Het ontwikkelen van nieuwe technieken en technologieën wordt namelijk uitgevoerd door onderzoeksgroepen die hebben besloten om zich meer hierop te richten in plaats van onderzoek doen, aldus Dame.

Toepassingen van dit onderzoek

Doordat architecturele eiwitten de structuur van chromosomen kunnen veranderen, hebben ze ook een effect op de toegankelijkheid van het DNA voor eiwitten die een rol spelen bij de gentranscriptie (DNA vertalen in RNA), en beïnvloeden ze dus de gentranscriptie. Door een beeld te krijgen over het bacterieel chromosoom en de koppeling van structurele veranderingen aan globale genexpressiepatronen zou bijvoorbeeld het ontwikkelen van antibiotica, die door genregulatie de pathogeniteit (ziekmakendheid) van de bacterie beïnvloeden, mogelijk worden. 

Wetenschappelijke communicatie

Nu komen wij bij een heel belangrijk onderdeel van onderzoek doen aan: communicatie. Oftewel het delen en bespreken van werk, waar een onderzoeker maanden of zelfs jaren mee bezig is geweest. Communicatie tussen wetenschappers op een bepaald gebied is belangrijk omdat delen van informatie het onderzoek vooruitbrengt. Een wetenschappelijk debat kan bijvoorbeeld tot nieuwe ideeën leiden.
Het is ook belangrijk om de eigen ideeën te verspreiden en aannemelijk te maken. Daarvoor is het goed als de onderzoeker vertrouwen heeft in zijn resultaten, tot een zekere hoogte kan daarom tunnelvisie voordelen hebben, aldus dr. Remus Dame. Het bekennen van fouten is echter ook heel belangrijk.

Dergelijke communicatie vindt vooral plaats op conferenties. Deze communicatie kan echter gehinderd worden door het gebrek aan vertrouwen, er is natuurlijk competitie tussen onderzoeksgroepen, en het delen van ideeën kan een onderzoeker ook nadelen opleveren. Publicatie hoort ook ongetwijfeld bij het delen van ideeën. Wij komen daar echter nog later op terug. Eerst behandelen wij samenwerking tussen onderzoekers en onderzoeksgroepen onderling. 

Samenwerking tussen labs en verschillende velden

Een mens kan niet alles weten en een lab kan niet alles hebben. Dit zijn de belangrijkste redenen waarom samenwerking bij het onderzoek binnen de moleculaire genetica zeer belangrijk is. Het veld is enorm waardoor een onderzoeker af en toe hulp van een ander nodig heeft. Daarnaast is er apparatuur nodig die zo duur of zo gespecialiseerd is dat een lab dieniet wil/kan aanschaffen. In dat geval is samenwerking nodig met iemand van een ander lab dat wel de nodige apparatuur tot zijn beschikking heeft.

Officiële samenwerking op lab-niveau is beperkt volgens Dame. Veel meer worden afspraken gemaakt met individuele mensen van andere labs, en niet met hele onderzoeksgroepen. Voor het krijgen van subsidies is echter wel samenwerking noodzakelijk; een grote groep wordt namelijk als meer beloftevol beschouwd dan individuele onderzoekers . Verder kan het ook nodig zijn om hulp te vragen bij iemand die een techniek heeft ontwikkeld voor zijn specifieke expertise. Samenwerking met andere disciplines van de wetenschap daarentegen komt steeds vaker voor: onder andere heel vaak met de theoretische natuurkunde, wiskunde of informatica. Samenwerking met theoretische natuurkunde leverde bijvoorbeeld nieuwe resultaten op in een kwestie over de opbouw van het architecturele eiwit H-NS.  Informatica is belangrijk voor de verwerking van grote hoeveelheden data, en wiskundigen kunnen nuttig zijn bij het modelleren van processen. 

Publicatie

Publicatie is een essentieel deel van het wetenschappelijke proces, het is een vorm van communicatie en ook belangrijk voor het krijgen van subsidies. Aan de wetenschappelijke tijdschriften wordt een zogenaamde impactfactor toegekend, die wordt bepaald door het aantal verwijzingen in andere bladen naar artikelen, die in het tijdschrift gepubliceerd werden. Op het gebied van moleculaire genetica zijn Cell, en de meer algemene Science en Nature de meest belangrijke tijdschriften, de tijdschriften met de hoogste impactfactor. Om in deze tijdschriften te publiceren moet het onderzoek dat in het artikel beschreven wordt, van een hoge kwaliteit zijn en interessant zijn in de zin dat het onderzoek onverwachte of nieuwe resultaten oplevert. De ingezonden artikelen worden beoordeeld door middel van het ‘peer review’ systeem: ze worden nagekeken door andere, anonieme wetenschappers in dat vakgebied. Het is de bedoeling dat de reviewers alleen op inhoudelijke aspecten beoordelen, maar in de praktijk blijkt dat er soms andere aspecten een rol spelen. Zo kunnen publicaties (in heel zeldzame gevallen volgens dr. Remus Dame) terug gehouden worden. Het publiceren van artikelen met verklaringen die in tegenspraak zijn met de heersende wetenschappelijke consensus is bijvoorbeeld erg moeilijk.
 
Ook zijn er in de wetenschap ’modes’, er zijn altijd onderwerpen waarover het gemakkelijker is om te publiceren. Dit beïnvloedt de kwaliteit van het onderzoek indirect, want wetenschappers moeten kwalitatief betere of interessantere onderzoeken uitvoeren om te kunnen publiceren. Rond het jaar 2000 was moleculaire genetica bijvoorbeeld een zeer gezocht onderwerp, en het was daarom relatief gemakkelijk om artikelen te publiceren. Na een tijd van ’opbloei’ werd de belangstelling minder en alleen artikelen die echt iets nieuws kunnen laten zien, worden nu nog gepubliceerd. Daardoor worden wetenschappers gestimuleerd om beter onderzoek te doen.
 
De verspreiding van de computer en het internet door de wetenschapswereld heeft de publicatie van artikelen beïnvloed. Er zijn digitale publicatieplatformen, waar alles gepubliceerd kan worden. De bestaande tijdschriften houden deze ontwikkeling echter tegen, door als voorwaarde voor publicatie te stellen dat het artikel niet, of alleen na een bepaalde tijd, digitaal gepubliceerd mag worden. Ook veroorzaakt digitalisatie een verschil in bereikbaarheid van artikelen, en beïnvloedt daardoor het aantal citaten van een artikel. Oudere artikelen worden niet of pas later gedigitaliseerd, zijn daarom moeilijker bereikbaar en worden dus niet zo vaak geciteerd, hoewel ze van groot belang kunnen zijn doordat ze een meer algemeen beeld geven, omdat ze in het ’begin’ van de ontwikkeling van de moleculaire genetica voor het eerst gepubliceerd werden. 

Milieu en gezondheid

Ook Dame krijgt te maken met regulaties van de overheid. Om een idee te geven over de rompslomp die dit kan opleveren, willen wij een algemeen beeld schetsen met betrekking tot de milieubeschermende en gezondheidsmaatregelen, waar de moleculaire genetica mee te maken krijgt.
 
Verantwoordelijke organen (in Nederland het Ministerie van Onderwijs, Cultuur en Wetenschappen) moeten ervoor zorgen dat ongewenste consequenties van wetenschappelijk onderzoek begrensd blijven. Daarom is er sterke regulatie in de vorm van vergunningen, controles en strenge regels. Dit heeft een belemmerend effect op wetenschappelijke vooruitgang omdat er veel tijd en geld moet worden geïnvesteerd om er aan te voldoen, maar het is te betwijfelen of het alternatief wel zo wenselijk is.
 
Er wordt bijvoorbeeld in de moleculaire genetica gewerkt met plasmides, stukjes bacterieel DNA, die zeer makkelijk door andere bacteriën kunnen worden opgenomen. Als plasmides dus zonder de benodigde voorzorgsmaatregelen zouden worden behandeld, is het niet onvoorstelbaar dat een andere (relatief zwakke) bacterie dat stukje DNA opneemt en zelf gevaarlijker wordt door bijvoorbeeld immuniteit tegen een antibioticum te verkrijgen. In dit dilemma heeft Nederland gekozen voor veiligheid. Er zijn landen waar de maatregelen minder streng zijn en het effect daarvan is ook zichtbaar: wetenschappelijk onderzoek gaat daar sneller. Wel zou de overheid in Nederland wat meer kunnen proberen het bureaucratische proces te versnellen.
 
Dat wetenschappelijk onderzoek doen niet makkelijk is, mag nu duidelijk zijn. Maar het belangrijkste dat ons duidelijk werd uit het interview met dr. Remus Dame is dat wetenschap zicht ontwikkelt om die problemen aan te spreken en er waarschijnlijk nooit mee zal stoppen. Wetenschap blijft kortom openstaan voor kritiek, terwijl het naar oplossingen zoekt. Verder zijn er veel drempels, die onderzoek doen voor wetenschappers moeilijk maken: soms is het nodig om lang op een vergunning te wachten, of in zeer dure technologie te investeren, of een experiment een keer (of vijf keer) te herhalen. Maar met doorzettingsvermogen, dat wetenschappers zeker bezitten, komen ze er vrijwel altijd goed uit. Ook als iets nu compleet onmogelijk schijnt te zijn (bijvoorbeeld als de technologie niet ver genoeg is om het experiment nauwkeurig uit te voeren), zal de wetenschappelijke gemeenschap het benodigde gereedschap vervaardigen.