Tweet

De wereld regeren in een siliconenkorrel /1 reactie

Charles Darwin stelde dat dieren zich aanpassen aan hun omgeving. Sindsdien droomden wetenschappers van een experiment om dit te onderzoeken en nuttig te maken. Maar het is moeilijk om een complex ecosysteem te ontwerpen dat gemanipuleerd kan worden zonder dat dieren worden mishandeld.

Een groep wetenschappers van Princeton heeft een manier gevonden. Ze maakten een ecosysteem op microniveau met bacteriën als bevolking. Het doel was meer te leren over hoe organismen leven in de natuurlijke wereld.

Landschap

Het ‘landschap’ bestaat uit een rij van 85 microscopische kamertjes die met nauwe gangen met elkaar verbonden zijn. Er zijn zoveel variabelen dat er een complex ecosysteem ontstaat als er E. coli bacteriën in worden losgelaten. Ogenblikkelijk wordt er geconcurreerd om voedsel en om ruimte en de bacteriën passen zich aan aan hun omgeving. Op dezelfde manier als een populatie van bijvoorbeeld panda’s zou doen.

Robert Austin is natuurkundeprofessor en de senior onderzoeker. Hij legt uit dat de bacteriën hun groei aanpassen op plekken waar voldoende te eten is: ze voorkomen overpopulatie. Waar weinig voedsel is maar genoeg ruimte groeien ze juist wel hard. Volgens hem is er een analogie met hoe hogere organismen zoals mensen zich over de aardbol verspreiden en zich aanpassen aan de natuurlijke omgeving. Hoe de professor dat rijmt met de schrale maar dunbevolkte landen van de wereld en de drukke steden waar genoeg te eten is, maar nauwelijks ruimte, wordt niet verklapt.

Toepassingen

De experimenten met het kunstmatige wereldje werden al gepubliceerd in november. Nu worden ook de toepassingen duidelijk. Door het aanpassend vermogen van de bacteriën is het mogelijk om bacteriën te kweken die speciale eigenschappen hebben. Kweken door het aanpassen van de leefomstandigheden is anders dan fokken op basis van genetische combinaties. Een uitstapje naar een andere discipline kan zo leiden tot een onverwachte oplossing.

“Eigenlijk zijn wij in deze onderzoeksgroep allemaal natuurkundigen. Door dit ecosysteem te ontwerpen zijn we ineens experimentele ecologen geworden.” zegt Juan Keymer, postdoctoraal onderzoeker en eerste auteur van het artikel. Van huis uit is hij gespecialiseerd in biologische natuurkunde. “In de geschiedenis zijn er maar een paar natuurkundigen die overgestapt zijn naar ecologie maar dan toch vooral als theoretici. Wij stappen echt helemaal tot in de biologische wereld.” Zijn collega Peter Galajda vervolgt: ”Dit is voor het eerst dat we werken met een echt ecosysteem en levende wezens. Het is letterlijk en figuurlijk een nieuwe wereld voor ons.”

Natuurkundigen wordt geleerd om met deeltjes om te gaan die zich houden aan regels en dat geheel kan men mooi modeleren met computers, zegt Keymer. En hoewel natuurkundigen wel hun computermodellen hebben aangepast zodat ook jager-prooi-relaties beschreven kunnen worden zijn er geen adequate modellen om de relaties tussen complexe organismen te beschrijven.

Nieuwe wereld

Deze nieuwe wereld bestaat uit siliconen en is gemaakt dankzij de kennis van nanotechnologie en methodes voor microfabricage. Elke microkamertje is 100 micrometer lang en 30 micrometer breed. Hierin passen maximaal 10.000 E. coli bacteriën. Per kamer kan eten en afval worden aan- en afgevoerd maar de kanalen die daarvoor gebruikt worden zijn te klein voor de bacteriën om door te ontsnappen. De hoeveelheid eten en afval bepaalt hoe zwaar het leven is in elk kamertje.

De bacteriën kunnen wegtrekken als het leven hen niet bevalt, elk kamertje heeft een verbinding naar de naastgelegen kamers. Maar het zijn lange gangen om door te passeren, wel 50 micrometer lang. Een bacterie die op reis gaat moet een lange, schrale weg afleggen voordat hij een betere plek vindt.
De meeste bewoners kiezen ervoor om in hun kamer te blijven en er het beste van te maken. Hun nakomelingen kunnen dat zelfs nog beter, zij floreren in kamers die hun voorouders maar weinig bevielen. Ecologen zouden zeggen dat de nakomelingen zich hebben aangepast aan hun omgeving.

“Dit soort aanpassingen zien we overal om ons heen, van de vogels op de Galápagos Eilanden tot aan de stedelingen van New York. Aanpassing is de eerste stap in de ontwikkeling van nieuwe soorten. In ons kunstwereldje krijgen we de kans om het mee te maken omdat we vele generaties kunnen volgen die zich aanpassen aan plekken van verschillende aard.”

Wisselwerking

Omdat er enige wisselwerking is tussen de verschillende populaties in de verschillende kamertjes is er sprake van een ‘metapopulatie’. Dit frustreert de specialisatie van elke individuele groep maar werkt de evolutie van de populatie als geheel in de hand. Er kan geschoven worden in de populatie en waardevolle eigenschappen kunnen worden toegevoegd aan bepaalde kamers. Zoals ook honden kunnen worden geselecteerd op speciale eigenschappen zou dat ook met bacteriën kunnen.

Sommige bacteriën hebben bijvoorbeeld pure zuurstof als afvalstof, selectie van deze eigenschap kan leiden tot een nieuwe manier van brandstof, bijvoorbeeld in combinatie met waterstof. Hiertoe is al een prestieus project opgezet. Via de siliconen-microwereld kunnen dit soort bacteriën gefokt worden.

Soorten kweken

Niet langer is de wetenschap dan afhankelijk van de eigenschappen van bacteriën zoals we ze in de natuur tegenkomen. Bij een extern doel kan de best passende bacteriesoort worden gekweekt, geheel volgens Darwins principes.

Niet alleen nieuwe bacteriën kunnen op deze manier worden gefokt. Ook nieuwe materialen kunnen worden ontwikkeld. De manier waarop moleculen zichzelf samenstellen kan onderzocht en gecontroleerd worden op dezelfde manier als bij deze bacteriën. Daarvoor heeft de onderzoeksgroep al een subsidie binnen van de Defense Advanced Research Projects Agency.