Nieuws

12 feb: Darwin jarig en nieuw essay: Who created the first Tree of Life? op mijn website.
2 feb: positieve bespreking van 'From Bacteria to Bach and Back: The Evolution of Minds' van Daniel C. Dennett in Nature vandaag.
22 jan Alweer een apparaat op te laden met Waka-waka
16-20 jan: EO 'Rot op met je religie' 5-delige reality-tv serie met 5 deelnemers. Leerzaam, schokkend, entertainment
12 jan: Over representaties van de werkelijkheid, 8 colleges Studium generale Utrecht.
2 jan: José van Dijck, Wim Saarloos: Wetenschap is niet 'maar een mening', nrc
30 dec: Goed nieuws: China verbiedt algehele handel in ivoor vanaf eind 2017, nrc.
29 dec: De wereld wordt steeds beter. Kijk maar naar de data! nrc

*) zie hier. [ Archief Actualiteiten ]

29 februari 2012

Reactie op de gastbijdrage 'DNA en "the secret of life"'

"DNA is het beste/mooiste geworden in de gegeven omstandigheden."
 
De sterke kant van de gastbijdrage van Nand Braam is dat hij de chemische redenen waarom de  bouwstenen geschikt zijn voor de dubbele helix structuur van DNA op een rijtje zet. Hij betoogt dat die bouwstenen niet te vervangen zijn zonder dat de stabiliteit van DNA afneemt. Dit is pure chemie en ik heb daar niet veel tegenin te brengen. Het verhaal over 2e orde design heeft wel veel losse eindjes, die zijn misschien wel te repareren, maar dan wordt het een heel ander verhaal.

Tweede orde design
Een groter probleem heb ik met het 'tweede orde design'. Het model wil het ontstaan van het leven verklaren zonder directe ingrepen. Dit lijkt gebaseerd te zijn op de aanname: als de omstandigheden juist zijn ontstaat er automatisch DNA. Anders gezegd: je kunt iets creëren door de juiste omstandigheden te creëren in plaats van het ding zelf te maken. Bezwaren tegen dit model:

1. het 2e orde design model geeft niet de omstandigheden waaronder DNA spontaan gesynthetiseerd zou zijn. Zonder dat blijft het hele verhaal in de lucht hangen. Pas als je de omstandigheden geeft, kun iets zeggen over de waarschijnlijkheid dat DNA ontstaat. Welke moleculen worden er geacht aaanwezig te zijn? Het model suggereert dat je DNA rechtstreeks uit het Periodiek Systeem der Elementen kunt afleiden. Want dat is de chemische voorraadkast. dat zijn de omstandigheden.

2. het model lijkt te suggereren dat de synthese van de DNA bouwstenen zelf net zo makkelijk is als de synthese van DNA uit de kant en klare bouwstenen. Maar er wordt niet uitgelegd hoe die bouwstenen zelf ontstaan. Ontstaan deoxyriobose, A, T, C, G spontaan? Dus gegeven de elementen van het Periodiek Systeem, ontstaan dan bij voorkeur deoxyriobse en A,T,C,G? Met storende alternatieven in verwaarloosbare hoeveelheden? Of is er een heel ingewikkelde voorgeschiedenis met allerlei overgangsvormen? maar als een heel ingewikkelde voorgeschiedenis met primitievere DNA varianten wordt toegestaan, waarin verschilt het model dan van normale evolutie? En: is DNA dan wel zo vanzelfsprekend gegeven de omstandigheden?
Zo worden de alternatieven tetrose en hexose verworpen maar niet serieus onderzocht, terwijl die wel voorkomen in synthetisch TNA en HNA (zie: Waarom DNA? (2) Alternatief DNA).


Spontane synthese van DNA uit bouwstenen?
DNA wordt niet automatisch gevormd als de juist bouwstenen (A,T,C,G en deoxyribose, fosfaat) aanwezig zijn. In de omstandigheden van het ontstaan van het leven zullen de bouwstenen van DNA moeten concurreren met vele honderden varianten van bases en suikers. En een mix van remmende en stimulerende stoffen. Aangetoond moet worden dat in dit chaotisch mengsel bij voorkeur DNA ontstaat en geen alternatieven.

Spontane synthese van de bouwstenen van DNA?
De DNA bouwstenen zelf (A,T,C,G en deoxyribose, fosfaat) moeten ook spontaan geproduceerd worden in een abiotische omgeving. Er is een hoop onderzoek gedaan maar er is nog geen goed uitgewerkt scenario dat empirisch onderbouwd is. Origin Of Life onderzoekers hebben niet voor niks RNA-world en pre-RNA-world hypothese opgesteld met primitievere voorlopers van DNA en RNA. Dit is een probleem voor tweede orde design, want dat model werkt alleen als de synthese van DNA-bouwstenen net zo onvermijdelijk is als de veronderstelde zelfassemblage van DNA. Met andere wooorden: het ontstaan van de bouwstenen van DNA zou allang opgelost moeten zijn. Op het moment dat de dubbele helix in 1953 ontdekt was, zou direct duidelijk moeten zijn hoe DNA-bouwstenen  pre-biotisch gevormd worden uit haar onderdelen.

De gegeven omstandigheden
"DNA is het beste/mooiste geworden in de gegeven omstandigheden." Maar die omstandigheden zijn niet gegeven maar ontworpen! (dat is eerste orde). Dus dat die omstandigheden gegeven zijn, daar kun je je niet achter verschuilen! Dan hadden de omstandigheden beter/anders ontworpen moeten worden.

Bijvoorbeeld: waarom bestaan er zoveel chemische elementen in het Periodiek Systeem der Elementen? 118 elementen waarvan alleen CHNOPS als hoofdbestanddeel worden gebruikt aangevuld met een aantal metalen. Maar lang niet alles wordt voor het leven gebruikt. Dat is een overdosis. Dat verwacht je niet als de omstandigheden gefinetuned zijn voor het ontstaan van het leven.

Natuurlijke selectie
 "DNA is het beste/mooiste geworden in de gegeven omstandigheden". Zelfs als dat waar is, kan het beter door natuurlijke selectie verklaard worden. Dus zelfs als er geen betere alternatieven voor DNA zijn, dan nog kan dat door natuurlijke selectie verklaard worden.

Onethisch
Een ander soort bezwaar tegen 'tweede orde design' is dat het onethisch is.

Het ethisch probleem is makkelijk in te zien: het DNA van de pestbacterie Yersinia pestis is "het beste/mooiste geworden in de gegeven omstandigheden". De pest bacterie heeft miljoenen mensen levens gekost in Europa in de jaren 1347 tot 1353. Vergeet niet dat alle pathogene bacterieën dezelfde perfecte dubbele helix structuur hebben! Hoe mooi kun je de helix dan nog noemen?

Vrouwen met mutant BRCA1 en BRCA2 genen hebben een verhoogde kans op borstkanker. Hun DNA is de perfecte dubbele helix waarvan geen atoom gewijzigd kan worden. Dat geldt ook voor het DNA van alle kankercellen.
Het grappige is dat beide genen BRCA1 en BRCA2 betrokken zijn bij DNA-repair (hoe ideaal is DNA?). Ik heb al eerder over perfect DNA geblogd: Als DNA perfect is, waarom dan dood, erfelijke ziekte, kanker?
Als 'DNA is het beste/mooiste' betekent in ethisch opzicht het beste, dan is dat misplaatst als je weet wat voor ziekmakende mutaties DNA kan herbergen.
Tweede orde design is dus onethisch. De natuurwetten hun gang laten gaan is onethisch. Niet alleen volgens mijn bescheiden privé mening, maar zit impliciet in de medische professie: First, do no harm (Primum non nocere).

Het tweede orde design verhaal heeft dus vele losse eindjes. Als je die repareert, en dat is nog niet gedaan, dan komt het waarschijnlijk neer op iets dat erg lijkt op biologische evolutie. Maar dan zonder design.

27 februari 2012

DNA en "the secret of life"

gastbijdrage Nand Braam

1. Eerste en tweede orde design

Kijk naar de idee van theïstische evolutie, meer speciaal de procestheologie. In de procestheologie stelt men dat God de wereld doet zijn, door immanent object van haar verlangen te zijn, maar óók en prominent dat God door de wereld beïnvloedt wórdt, of beter: dat God zich verandert aan de wereld. Zo verenigt dit beeld immanentie én transcendentie; en het is een onpersoonlijk én persoonlijk beeld van de relatie God-wereld. Wanneer iemand binnen een zienswijze als hier gepresenteerd van “design” zou willen spreken dan zou dat gespecificeerd moeten worden als “tweede orde design”. Het betreft niet een idee van God die in directe zin ordonneert dat er een wereld moet komen met levende wezens en intelligente wezens, of dat de dinosaurussen moeten uitsterven, of dat er dan en daar in de geschiedenis een aardbeving moet plaats vinden etc. Dat zou een “direct design” of “eerste orde design” zijn. Maar zoals aangegeven, de goddelijke attractie is geen aansturen op een vast punt, maar een wens of plan dat ieder gebeuren wordt wat het gegeven de omstandigheden het “mooiste” kan worden, waarbij de concrete invulling van “wat” dat meest wenselijke is dus afhangt van de contingente omstandigheden. Iets preciezer: dat “plan” kan qua formele invulling onveranderlijk zijn (“het beste in de gegeven omstandigheden”), maar is qua materiële invulling variabel.

DNA ©Bergstrom, Dugatkin (2011) 'Evolution', p. 390

2. Structuur van DNA
Laten we de concrete structuur van DNA eens beter bekijken in onderdelen (zie figuur).

a. suiker
De backbone bestaat uit deoxyribose, ontstaan door ringsluiting van de open keten van de pentose deoxyribose zodat een stabiele 5-ring ontstaat (4 C-atomen in de ring en 1 O-atoom).
Uit een open keten tetrose kun je op papier een ringstructuur krijgen met 4 atomen in de ring (3 keer C + 1 keer O, maar zo’n ringstructuur is niet stabiel (hoeken van 90 graden, teveel afwijking van de tetraëderhoek van koostof, dus te grote ringspanning).
Uit een open keten hexose (bv. glucose) kan een stabiele 6-ringontstaan (5 keer C + 1 keer O).
Echter we hebben een heel lange keten nodig die "slim"compact opgevouwen moet kunnen worden, anders wordt het een rommeltje. Een paar graden uit koers stelt op korte afstand weinig voor, maar op de lange afstand leidt dit tot een heel ander eindresultaat. Een eindresultaat dat waarschijnlijk niet geschikt is om de functies die DNA nu vervult, ook te kunnen vervullen.

b. fosfaat
In de backbone zijn de deoxyribosemoleculen aan elkaar gekoppeld met behulp van fosfaat. De vraag is waarom er geen DNA bestaat met het As-atoom ingebouwd in plaats van het P-atoom? Louter vanuit chemisch-technisch oogpunt gezien is er weinig tegen in te brengen. Het As-atoom verzorgt zijn 3 bindingen met de 3 O-atomen op dezelfde manier als het P-atoom. Omdat As een groter atoom is dan P zal de sterkte van de binding tussen As en O, minder zijn dan tussen P en O, waardoor de verbinding minder stabiel zal zijn.
Nu doet zich de omstandigheid voor dat onderzoekster Felisa Wolfe-Simon aangetoond zou hebben, dat in Lake Mono in Californië bepaalde bacteriën, waar het milieu "stijf" staat van de arseen, inderdaad arseen in hun DNA zouden hebben ingebouwd. Echter de Canadese microbiologe Rosie Redfield zegt dat Wolfe-Simon haar werk niet goed heeft gedaan. Ze deed de experimenten van Wolfe-Simon over en constateert: “We hebben geen gevallen geobserveerd waarbij de arseenrijke culturen groeiden”. Wolfe-Simon en haar team hebben de bacterie kennelijk slordig gewassen voordat ze gingen analyseren, is de conclusie van Redfield. Het meningsverschil is duidelijk in het voordeel van Redfield beslecht: 'Geen tijd' voor grondige test arseen-bacterie

Als het theoretisch niet zo vreemd is als As wordt ingebouwd in DNA in plaats van P en als er dan omstandigheden zijn die in het voordeel zijn van As ten opzichte van P ( in Lake Mono staat het “stijf” van de arseen en is P in de minderheid (normaal in de natuur andersom) en dan gaat de betreffende bacterie toch de P die er is (de As die er ruim voldoende is negerende) inbouwen in het DNA, dan kunnen we zeggen, naar mijn bescheiden mening, dat hier iets bijzonders aan de hand is. Kennelijk vraagt de stabiliteitseis om inbouw van P in plaats van As, ook al is As ruim voldoende aanwezig.

c. De bases

In de treden van de wenteltrap van de dubbele helix in het DNA zijn slechts 4 verschillende basen verwerkt: guanine, cytosine, adenine en thymine. Ze zijn gekoppeld aan de backbone na reactie met de OH-groep die aan het eerste koolstofatoom vastzit van de ringstructuur van deoxyribose.
Andere stoffen dan A, C, G, T zal maar zeer beperkt mogelijk zijn naar mijn bescheiden mening. In de noodzakelijke stoffen voor de treden van de trap zal een N-H binding moeten zitten in een mesomere ringsituatie. Alleen dan kan waarschijnlijk de H in de N-H binding reageren met de OH-groep op het eerste C-atoom van deoxyribose en zo (onder uitsluiting van water) een N-C binding vormen. In A, C, G, en T hebben we zo’n situatie. Dat zal niet toevallig zijn.

Zijn er andere atomen mogelijk in de treden van de wenteltrap van DNA dan C, O, N, H? Bv. S in plaats van O? S in DNA lijkt me hierom moeilijk omdat de dubbele binding tussen koolstof en zwavel veel zwakker is dan die tussen koolstof en zuurstof. Waarom is dat ? Zuurstof en zwavel staan weliswaar in dezelfde groep van het periodiek systeem, maar zwavel heeft een schil meer en de valentie-elektronen (de elektronen die de binding moeten gaan verzorgen) zitten nu juist in de buitenste schil. Dat betekent dan een zwakkere binding (grotere afstand). De verbinding met S i.p.v. O zal dan waarschijnlijk minder stabiel zijn. Bovendien is een waterstofbrug tussen de H van het ene molecuul en de S van het andere molecuul veel zwakker dan de waterstofbrug van het ene molecuul met de O van het andere molecuul (de elektronegativiteit van zuurstof is veel groter dan die van zwavel; O 3,5 en S 2,5). De stabiliteit van de dubbele helix zal naar mijn bescheiden mening dan een stuk minder worden.

Kan er geen enkel atoom of atoomgroep vervangen worden in de 4 basen?

- In eerste instantie lijkt de methyl-groep in thymine overbodig. Als die weg is heb je in feite uracil (zoals het geval is in RNA). Maar nu schijnt juist die methylgroep in thymine voor het DNA weer erg belangrijk te zijn: Why does uracil replace thymine in RNA?
- Amino-groep in cytosine weglaten. Nog slechts 2 van de 3 H-bruggen over in de combinatie G-C. Dubbele helix waarschijnlijk niet meer stabiel
- Amino-groep in adenine weglaten. Nog slechts 1 H-brug over in de combinatie A-T. Dubbele helix waarschijnlijk niet meer stabiel.

Om de wenteltrap in stand te houden door middel van waterstofbruggen zijn specifieke groepen/atomen nodig voor elk molecuul in de trede. Bij adenine zijn dat de aminogroep en het N-atoom dat vastzit aan het C-atoom waar ook de amino-groep aan vastzit. Voor thymine zijn dat de tweede nog vrije N-H groep en de C=O naast laatstgenoemde N-H groep. In guanine zijn dat de C=O groep, de N-H groep daarnaast en de amino-groep aan het C-atoom daarnaaast. In cytosine zijn dat de C=O, het N-atoom daarnaast en de amino-groep aan het C-atoom daarnaast.

Krachtige H-brug-vorming is maar beperkt mogelijk (eigenlijk alleen met O en N en F). Met name ook de (volgens mij) noodzakelijk mesomerie in de ring maakt de keuze van geschikte basen beperkt.

Ook de ruimtelijke bouw in de dubbele helix stelt voorwaarden. Afgezien van de noodzakelijke waterstofbruggen moet het ruimtelijk over een groot gebied natuurlijk ook kloppen. Het is waarschijnlijk niet zo maar dat de combinatie A-T er een is van een tweevoudige ring (A) met een enkelvoudige ring (T), hetgeen we terugzien bij het koppel G (tweevoudige ring) en C (enkelvoudige ring).

Het verschil tussen de A-vorm en de B-vorm van DNA is volgens mij alleen dat bij de A-vorm de conformatie eniszins ingedrukt is. Voor de rest is alles hetzelfde. Ook de H-bruggen zijn volgens mij precies zo intakt als in de B-vorm. Chemisch gezien dus geen verschil, alleen in de conformatie verschil.


3. Conclusie
Als we nu het verhaal onder 1 koppelen aan de feiten onder 2. mogen we dan zeggen dat in het kader van de procestheologie dit een schoolvoorbeeld is van tweede orde design? DNA is het beste/mooiste geworden in de gegeven omstandigheden.

20 februari 2012

Twee elkaar uitsluitende perspectieven op DNA

Ik kreeg een tip van René Fransen dat ik uitgebreid geciteerd werd [3] in het boek Synthetische Biologie van Arno Schrauwers en Bert Poolman. 
Bij het doorbladeren ontdekte ik tot mijn verrassing dat dit boek heel aardig aansluit op mijn blogs over DNA van de afgelopen twee maanden. Ik zoom nu alleen in op hun perspectief op DNA. Die wordt op kernachtige manier uitgedrukt in de titel van het vierde hoofdstuk:
'Zijn we gehouden aan DNA-achtige systemen?'
En verder:
'Er zijn andere systemen voor de opslag van informatie denkbaar'. (p.53)
'Waarom zouden we ons beperken tot vier/vijf nucleotiden?' (p. 43)
Of te wel: DNA: dat moet beter kunnen! of: dat moet anders kunnen! Dit is precies de insteek die ik ook in mijn vorige blogs aan het verkennen was. Zo vinden we in Synthetische biologie alternatieven voor DNA zoals HNA (hexitolnucleïnezuur) (p. 38), 'vreemde basen' en PNA (peptidenucleïnezuren) (p. 136–138). Dit is eigenlijk niet zo verwonderlijk als je bedenkt dat dit boek over synthetische biologie gaat en dat vak wordt bedreven door -zeg maar- een kruising tussen biologen en ingenieurs. Ingenieurs zijn niet tevreden met wat we hebben, maar willen dingen verbeteren.
Het grappige is dat de schrijvers ook terecht komen op het boeiende gebied van astrobiologie, waar op dezelfde manier over DNA gedacht wordt. Astrobiologen stellen zich de vraag: kan het leven (op andere planeten) ook op iets anders dan DNA gebaseerd zijn? Dus de onderzoekers op de gebieden van de synthetische biologie, Origin of Life en astrobiologie hebben een gemeenschappelijke belangstelling voor alternatieven voor DNA.


Het contrast met alle boeken over de ontdekking van DNA kan niet groter zijn.
Als voorbeeld het boek dat ik nu aan het lezen ben: The Eighth Day of Creation van Horace Freeland Judson. Het is een klassieker, een geschiedenis van de moleculaire biologie geschreven door iemand die er niet zelf bij betrokken was, maar wel de belangrijkste betrokkenen uitgebreid heeft geinterviewed (het boek wordt zelfs door Crick aanbevolen, dus het kan niet slecht zijn!). De andere boeken in deze categorie die ik al in vorige blogs genoemd hebt zijn van de hoofdrolspelers: Francis Crick, James Watson en Maurice Wilkins (zie mijn blog van 3 feb). In al deze boeken wordt de structuur van DNA als de enig juiste oplossing gepresenteerd, op basis van de bekende bouwstenen van DNA, de wetten van chemische binding, en de informatie uit X-ray diffractie opnames. Al die puzzelstukjes passen maar op één manier in elkaar. Het feit dat er een korte tijd vóór 1953 ook foute oplossingen waren (Linus Pauling's backbone in het midden, 1,3 of 4 strand-helix, same-base pairing) onderstreept alleen maar het feit dat er maar één goede oplossing was. De kunst was om als eerste die enig juiste oplossing te vinden. En dat idee wordt alleen maar verstrekt door die oplossing ook nog eens de Secret of Life te noemen. Het suggereert een universele oplossing die van toepassing is op al het leven.
De evolutie handboeken volgen bijna altijd het patroon van 'het enig juiste DNA' zoals verteld door de ontdekkers (zie blog van 12 januari).

Puzzelstukjes
aanbevolen interactieve website
over de ontdekking van dna
Natuurlijk klopt die oplossing, de enige juiste structuur van DNA. Dat wil ik ook niet bestrijden. Maar de metafoor van de puzzelstukjes en de legpuzzel, en de race om de puzzel als eerste te klaar te hebben, suggereert dat als de puzzel eenmaal compleet is, er verder niets meer te ontdekken valt. En dat er geen alternatieven zijn. De iconische dubbele helix is zo'n onaantastbare waarheid geworden, dat hij het zicht ontneemt op alternatieven. Het is zo erg dat je bijna nergens voor- en nadelen van dubbele helix opgesomt ziet [1]. Daarom is het boek van Arno Schrauwers en Bert Poolman zo verfrissend (hoofdstuk: Zijn we gehouden aan DNA-achtige systemen?). Je kunt alleen maar uit het perspectief van de puzzel stappen als je de puzzelstukjes zelf ter discussie stelt. En dat is een grote denkstap.

Twee elkaar uitsluitende perspectieven

Mijn punt is nu dat die twee perspectieven op DNA, het 'de oplossing van de puzzel die DNA heet' en het 'DNA-dat-moet-beter/anders-kunnen' elkaar behoorlijk in de weg zitten. Het zijn twee elkaar uitsluitende perspectieven, die maar moeilijk in één hoofd te verenigen zijn. Psychologisch past het niet.
Het ene perspectief is een oplossing van een oud probleem: wat is de diepste basis van erfelijkheid. Een spannend historisch verhaal, maar helaas afgesloten (?). Het andere perspectief is de nog steeds onbeantwoorde vraag Zijn er gelijkwaardige of superieure alternatieven voor DNA? Dit perspectief stimuleert onderzoek, creativiteit, fantasie. Ben je eenmaal gefascineerd door de vraag Zijn we gehouden aan DNA-achtige systemen? zoals in het boek Synthetische biologie, dan is het totaal niet belangrijk hoe de puzzelstukjes dwingen tot de enig juiste DNA structuur.

De Britten Watson en Crick

Daarom zal het wel geen toeval zijn dat het boek Synthetische biologie in niet meer dan 4 zinnen uitlegt hoe de ontdekking van Watson en Crick in zijn werk ging:
"De chemische structuur en ruimtelijke ordening (dubbele helix) van DNA werden in 1953 ontdekt door de Britten James Watson en Francis Crick. Ze kwamen daar achter door bestudering van röntgen-kristallografische opnamen van DNA die Rosalind Franklin had gemaakt. Beide heren kregen in 1962 de Nobelprijs voor die ontdekking. Franklin was in 1958 overleden aan kanker en viel daardoor buiten de prijzen – Nobelprijzen gaan alleen naar levende onderzoekers."  (p.65)
Dit is wat kort door de bocht. Alsof de complete structuur van de helix uit de foto af te leiden was. Als dat zo was, had Franklin zelf de structuur van DNA kunnen bedenken en publiceren. Nee, uit die foto's kon afgeleid worden dat DNA een helix structuur moest hebben en de dimensies van de helix. Maar niet af te leiden was het feit of de bases aan de binnenkant van de helix zaten, en hoe. Ook niet zondermeer dat er twee strengen waren. Ook niet dat de beide strengen in tegenovergestelde richting lopen. Ook niet welke tautomere vormen de bases A,T,C,G hebben. Ook niet dat er nooit dezelfde bases tegenover elkaar zaten, maar altijd AT en CG. De beschrijving geeft de indruk dat Watson en Crick ordinaire dieven waren die een Nobelprijs kregen grond van gestolen gegevens [1].

Belangrijker: Schrauwers en Poolman missen hier een kans om uit te leggen waarom DNA in elkaar zit zoals het in elkaar zit. En de -eventuele- speelruimte die er is om het anders te doen. En de voor- en nadelen van DNA. Dit zou perfect aansluiten bij het zoeken naar alternatieven voor DNA. Misschien is het wel noodzakelijke basiskennis om een zinnig onderzoek naar alternatieven te kunnen doen. Goed, dit alles doet niets af van de grote waarde van het boek Synthetische biologie. De korte beschrijving toont alleen maar aan dat het perspectief van de Synthetische biologie en het Watson-Crick perspectief elkaar behoorlijk in de weg zitten. En dat was mijn punt.

Eigenlijk zouden die twee elkaar uitsluitende perspectieven elkaar heel goed kunnen aanvullen. Voor het  zoeken naar alternatief DNA zou het handig kunnen zijn om heel precies te weten waarom DNA in elkaar zit zoals het in elkaar zit. Iets met de functie van DNA in het organisme, iets met evolutie, iets met chemie. Er wordt té makkelijk en optimistisch gedacht over de mogelijkheden voor alternatieve genetische systemen. Laten de synthetische biologen eerst eens proberen een compleet genoom in alternatief DNA te synthetiseren en dat in een cel aan de praat krijgen.

Misschien moeten evolutiebiologen en synthetische biologen eens samen aan tafel zitten en om te beginnen een lijstje met alle voor- en nadelen van het huidige DNA maken. Ik weet niet of zo'n lijstje bestaat. Het is ook een ongebruikelijke vraagstelling. Een aanzet staat in voetnoot [2]. Misschien iets voor een volgende blog...


Noten
  1. De zaak ligt veel complexer. Vlak voor de ontdekking van Watson en Crick verhuisde Franklin naar een ander lab en stopte met DNA werk. Maar Wilkins was de derde man die de Nobelprijs kreeg. Als Watson en Crick samengewerkt hadden met Wilkins en Franklin, en als de Nature publicatie door hun vieren was geschreven, en Franklin had nog geleefd in 1962, dan dan was er ook een probleem ontstaan: wie was de derde persoon? Misschien had Franklin er meer recht op dan Wilkins...
  2. Voor- en nadelen van DNA:
    • Voordelen: redelijke stabiele structuur, vrijwel onbeperkte lengte, toch te openen voor kopieren van informatie, er zijn maar 2 paar bases nodig, base paring maakt copiëren mogelijk, de afmeting A-T is identiek aan C-G, iedere base volgorde kan opgeslagen worden, dus maximale vrijheid om genetische informatie op te slaan.
    • Nadelen: door de helix structuur, en supercoiling, ontstaat een probleem van 'ontwinden' van de helix om informatie te kopieren; omdat de helften van de dubbele helix in tegenovergestelde richting lopen verloopt de replicatie van de ene helft (lagging strand) discontinue en veel gecompliceerder dan de andere helft (leading strand); met 2 baseparen kunnen er theoretisch maximaal 61 aminozuren gecodeerd worden, en met 3 baseparen ruim 200; door de instabiliteit van natuurlijk DNA is er constant DNA-repair nodig [update 17-nov-15]. 
  3. Dat gaat over de definitie van het leven van Tibor Ganti (zie: mijn review).


    Vorige blogs over DNA:

    12 februari 2012

    Theo Jansen: de herontdekking van Darwin? of het leven opnieuw uitvinden?

    Ik had nog nooit gehoord van Theo Jansen totdat ik hem een keer in een kunstprogramma op tv zag. Hij is een Leonardo da Vinci-achtige kunstenaar die geprobeerd heeft het leven opnieuw uit te vinden met zijn door de wind aangedreven plastic machines die lopen als dieren. Ze leven van de wind. Ze lopen op wind. Letterlijk. Sommigen doen denken aan insecten of kameleons vanwege hun manier van lopen. Andere machines lijken op een paard (hier), een dinosaurier of een neushoorn. Toen ik ze zag lopen, was ik meteen verkocht. Je kunt ze zien op zijn website Strandbeest of op youtube. Er gaat een betoverende werking van die dieren uit. Lopende machines ben je immers niet gewend. Het is een verrassings effect. Door mensen gebouwde machines hebben altijd iets met wielen. Doordat zijn objecten lopen, ga je je automatisch me ze identificeren. Wat loopt, leeft. Wat leeft, loopt. Machines lopen niet. Machines leven niet. Zijn machines lijken wel te leven.
    Zijn machines lopen op windkracht maar zonder enig spoortje electronica of electricitiet. De meest succesvolle dieren lopen uitsluitend op wind energie en zijn geheel transparant. Geen verborgen onderdelen. Geen motor. Hiernaast een charmant klein tafelmodel, dat aangedreven wordt door een windmolentje. Maar het kan ook met rugvinnen in megagrote dinosaurier-achtige monsters (zie bovenste foto). Alle wind aangedreven varianten lopen dwars op de windrichting. Zo zijn ze geconstrueerd. Aangezien ze zijn aangepast aan het strandleven met wind uit zee, lopen ze evenwijdig aan het strand. Dat gaat goed zolang de wind uit zee komt. Maar wat als de wind uit een andere hoek komt? Het zijn echte strandbeesten. Het strand is vlak. Ze zullen zich dus het meest thuisvoelen op vlak terrein. Hoe zouden ze het doen op heuvelachtig terrein? Hun poten zijn niet flexibel. Zouden ze stranden op het eerste duintje dat ze tegenkomen? Of zouden ze juist door hun manier van lopen kleine heuveltjes kunnen nemen?

    Theo Jansen is al jaren aan het experimenteren en verbeteren van modellen. Ik heb prototypes gezien die geduwd moesten worden. Maar ze liepen wel. Het is juist de extractie van externe energie uit de omgeving om zichzelf in stand te houden dat een o.a. bepalend is voor wat levend is. Zijn ambitie is het leven na te maken en uiteindelijk zelfreproducerende levensvormen te maken die eeuwig zullen voortleven, ook na zijn dood. Zelfreproductie heeft hij nog niet gerealiseerd. Dat zal met de huidige ontwerpen niet gaan, want die kunnen geen kopieën van zichzelf maken. Dat is nog een brug te ver. Maar, de beesten van Theo Jansen hebben wel een grote verscheidenheid van nakomelingen opgeleverd op youtube: vele immitaties en variaties. Maar velen gebruiken electriciteit of een knetterende benzinemotor zoals de Giant Walker Spider heeft. Hij loopt wel als een spin, maar die vind ik minder interessant. Zonne energie zou nog acceptabel zijn, hoewel je daar weer electronica voor nodig hebt. Maar die heb ik nog niet gezien.
    Het mechanisch principe achter de machines wordt goed uitgelegd in deze simulatie of deze 3D animatie (beide 1 minuut). Als je goed kijkt zie je dat een centrale roterende beweging op ingenieuze manier wordt omgezet in lopende bewegingen. Het geheim zit hem in het op de juiste manier optillen (niet schuiven) en naar voren bewegen van de poten. Plus alle poten op een gecoördineerde manier bewegen. Net als in het echt.

    Theo Jansen: herontdekker van Darwin?
    Toch zag ik pas een diepgaande overeenkomst met evolutie toen één van zijn meer dan levensgrote strandbeesten haperde door te weinig wind (en/of teveel wrijving) en stil bleef staan. Theo moest hem toen weer even een zetje geven. Kijk, daar zit het geheim van het biologisch leven. Het leven zit zó in elkaar dat individuen dood gaan, soorten uitsterven, maar het leven als geheel (alle individuen samen) niet uitsterft. Het leven als totaal is één continu, ononderbroken beweging, die al meer dan 3 miljard jaar aan de gang is. Zonder onderbreking. Zonder een zetje. Het geheim van het leven is dat het 'geen zetje' nodig heeft. Een verbluffende gedachte: ooit heeft iets zichzelf in beweging gezet, wat nooit meer tot stilstand is gekomen. Miljoenen soorten zijn het resultaat. Het leven op aarde is a.h.w. een geheel van mechanische robotjes die allerlei externe energiebronnen hebben gevonden waarmee ze zich zelf in stand kunnen houden en zichzelf kunnen kopieren. Miljoenen robotjes zijn gesneuveld. Miljoenen robotjes zijn doorgegaan. Wij zijn afstammelingen van die succesvolle robotjes. Die begonnen zijn als simpele zichzelf replicerende moleculen. Dat fundamentele inzicht wordt ook wel gemeenschappelijke afstamming genoemd (common descent of all life). Dat inzicht kwam van Darwin.

    Charles Darwin 12 Feb 1809 - 19 April 1882

    Voor mensen die in de buurt wonen:
    Vanmiddag houdt evolutiebioloog Chris Stringer ter gelegenheid van de presentatie van zijn boek "Overlevers" een lezing in het Auditorium van Naturalis Leiden. (info)

    Postscript:
    Een enigszins verwante blog is: Het geniale inzicht van Richard Dawkins 15 dec 2009. Dat inzicht is: iedere levensvorm in iedere fase van de evolutie ziet noodzakelijkerwijs op hem/haar lijkende levensvormen om zich heen. Dat is het resultaat van trial en error proces. Bij Theo Jansen zie je dat er door zijn beesten op verschillende manieren gebruik gemaakt wordt van de wind. Ook heb je zeer kleine en zeer grote beesten. Er is diversiteit. Noodzakelijkerwijze. Want Theo Jansen werkt ook door middel van trial en error.

    11 februari 2012

    kpn planet gehacked

    Van internetprovider kpn zijn prive gegevens van (een onbekend aantal) klanten gestolen: naam, adres, email, telefoon + passwords!
    Als voorzorgsmaatregel heeft kpn de toegang tot email van 2 miljoen klanten geblokkeerd en de websites ontoegankelijk gemaakt.

    Dit betekent voor mij dat ik geen email kan ontvangen, en dat mijn website www.wasdarwinwrong.com onbereikbaar is, zowel voor bezoekers als voor mij als eigenaar.
    Het is onbekend hoelang dit duurt.
    Voor zover ik kan nagaan zijn mijn prive gegevens niet openbaar gemaakt.

    17 uur: ondertussen kan ik weer email ontvangen en verzenden, maar mijn website is nog steeds onbereikbaar.
    19 uur: instructie kpn email werkt niet
    22 uur: website is weer in de lucht.

    zondag 12 feb:

    De vraag blijft: hoeveel schade is aangericht door het lekken van privé gegevens? Hebben kwaadwillenden misbruik gemaakt van die gegevens?
    De vraag blijft tevens wat de extra schade is ten gevolge van de gebrekkige cq mislukte pogingen van kpn planet om haar klanten te beschermen door hun passwords te laten vernieuwen. Hoe uniek zijn de laatste 3 cijfers van je bankrekening?
    Gaan degenen die de gestolen privé gegevens openbaar heeft gemaakt vrij uit? Is er kans dat de daders gepakt worden?
    Feit is en blijft dat kpn de privé-gegevens van haar klanten slecht beveiligd heeft. Is dat verwijtbaar? strafbaar?

    14 uur:
    Ondertussen is gebleken dat de gepubliceerde privé gegevens niet van kpn afkomstig waren. Toch blijft de vraag: zijn er überhaupt privacy gegevens in handen van derden terecht gekomen en op het internet gezet? Of was het vals alarm?

    Maandag 13 feb 10 uur:

    het raadsel waarom 3 cijfers van je bankrekening uniek identificerend zouden zijn, blijkt uit de volgende toegevoegde instructie van kpn:
    "het wijzigen van uw wachtwoord werken alléén vanaf het woon- of vestigingsadres waarop de aansluiting staat geregistreerd."
    Ik vermoed dat ze dus je ip-adres gebruiken. De combinatie ip-adres en 3-cijfers van je bankrekening zou een unieke identificatie opleveren. Een getal van 3 cijfers kan natuurlijk nooit uniek identificerend zijn voor 2 miljoen personen (geeft 999 mogelijkheden).
    Overigens is kpn niet zo dom geweest om gebruikers te laten inloggen met persoonsgegevens die gehacked en openbaar gemaakt zijn. Het punt is dat het password vernieuwen gewoon niet werkt.

    Woensdag 15 feb
    Eindelijk is het gelukt om email passwords te wijzigen. Vorige geheel volgens de voorschriften uitgevoerde pogingen werkten gewoon niet.

    Donderdag 16 feb
    Wat Eelco Blok (KPN) aan de NOS vertelt zijn pure vaagheden. Wij komen niets te weten wat er werkelijk gebeurt is. En kamerleden worden achter gesloten deuren door de KPN geinformeerd! Wij als klanten komen daar niets van te weten!

    07 februari 2012

    Is DNA 'The Secret of Life'?

    Op 28 februari 1953, de dag dat Watson en Crick hun dubbele helix model voor DNA voltooid hadden, zouden ze in de pub waar ze altijd lunchten, plechtig hebben verkondigd [1]:

    We have discovered the Secret of Life!

    Een dramatische uitspraak. Als het begrip 'secret of life' al een wetenschappelijke betekenis heeft, dan zou het zoiets moeten betekenen als: we hebben ontdekt hoe erfelijkheid werkt op moleculair niveau. En dat klopt. Tenminste gedeeltelijk. Vijftig jaar eerder, in 1903 had Sutton de hypothese gepubliceerd dat Mendelse genen op chromosomen moesten liggen. Maar Sutton wist niets van DNA. In 1900 waren de wetten van Mendel herontdekt. Mendel publiceerde zijn wetten in 1866. Charles Darwin had een erfelijkheidstheorie (pangenen) die al snel fout bleek. Darwin wist niets van chromosomen en al helemaal niet van DNA. In 1953 was het nog gangbaar dat eiwitten de dragers van erfelijkheid waren [3]. We kunnen dus zeggen dat Watson en Crick in 1953 een groot wetenschappelijke probleem hebben opgelost. DNA is het erfelijkheids molecuul en de structuur er van (met name de gepaarde bases) suggereert een manier voor replicatie van DNA. De ene helft van de DNA streng is een replica van de andere helft. Als de helften uit elkaar gaan kun je de ontbrekende helften aanvullen. Zo heb je uit 1 DNA molecuul 2 exacte kopieën [2]. Dat is de essentie van erfelijkheid. Gedeeltelijk.

    Was dat alles? Nee. Want in 1953 hadden ze nog niet de genetisch code ontdekt: hoe de base volgorde in DNA voor eiwitten codeert. In 1953 was DNA een ontzettend lange rij bases. Het heeft nog vele jaren geduurd voordat men bewezen had dat de bases per 3 (tripletten) gelezen werden. Dat is niet te zien aan de bases zelf. Er is geen teken na iedere drie bases. Of zoiets. Ze zitten allemaal achter elkaar. Zonder tussenruimte. Dus de genetische code volgde niet automatisch uit de structuur van DNA. Maar zonder de structuur van DNA was de genetisch code niet op te lossen.

    Goed, als we de structuur van DNA en de genetische code samen nemen, is dat de Secret of Life? Dat komt aardig in de buurt: het leven bestaat dankzij door DNA gecodeerde eiwitten. Het leven bestaat uit de koppeling van twee werelden: de DNA-wereld en de eiwit-wereld. Dat is een universele eigenschap van het leven (op aarde). De benaming Secret of Life vind ik ook gerechtvaardigd om de volgende reden:

    Er is geen diepere verklaring voor erfelijkheid dan DNA.

    Je kunt niet dieper gaan dan de moleculaire structuur van DNA. Erfelijkheid zit niet in atomen of sub-atomaire deeltjes. DNA is de ultieme verklaring voor erfelijkheid.

    Toch ontbreekt er nog iets aan de Secret of Life: het ontstaan van het leven! Hoe DNA ontstaan is, volgt niet logisch uit de structuur van DNA. Je weet de bestanddelen van DNA en daarom kun je DNA synthetiseren in het laboratorium, en dat DNA werkt precies zoals natuurlijk DNA. Maar hoe DNA is ontstaan ten tijde van het ontstaan van het leven, is een zeer weerbarstige vraag, die nog niet beantwoord is. Dus wat dat betreft is de Secret of Life nog niet onthuld.

    PS:
    Wat DNA is voor het leven is, is E=mc2 voor de fysische werkelijkheid [4].

    Noten
    1. Francis Crick: "According to Jim [Watson] I went into the Eagle, the pub across the road where we lunched every day, and told everyone that we'd discoverd the secret of life." ( What Mad Pursuit, p. 77). Aaron Klug beschrijft het zo: "On 28th February 1953, Crick “winged” into theEagle pub, close to the Cavendish Laboratory, where lunch could be had for 1s 9d, and declared to anyone who cared to listen that, in the Cavendish, Watson and he had discovered “the secret of life”.  (Aaron Klug). Verder heeft Watson een boek gepubliceerd: DNA: The Secret of Life (2003).
    2. 'Genetical Implications of the Structure of Deoxyribonucleic Acid' was de tweede publicatie in mei 1953 in Nature. "It should be remembered that at the time, no one, not even Watson, had imagined that the 3D structure of DNA alone, important as that might turn out to be, would by itself indicate how the molecule replicated itself, and hence reveal “the secret of life”. "(klug-DNA.pdf)
    3. "The double helix model was well received by geneticists and the phage group when Watson described it at the Cold Spring Harbor meeting in
      the summer of 1953, but there were doubts about the correctness, and indeed relevance, of the model on the part of biochemists, who, on the
      whole, still thought of proteins as the genetic material." (Klug p.21)
    4. Dr. Brian Cox, Jeff Forshaw (2010) Why Does E=mc2? And Why Should We Care? ... "demonstrate how the structure of nature itself is contained within this equation."

    Vorige blogs over DNA:

    05 februari 2012

    03 februari 2012

    Wie heeft DNA ontdekt? En wie zouden er allemaal de Nobelprijs gekregen moeten hebben?


    Wie heeft DNA ontdekt? En wie zouden er allemaal de Nobelprijs gekregen moeten hebben? Ik heb in mijn vorige blogs de ontdekking van DNA uit het perspectief van de winnaars geschreven: Watson en Crick. Ik gebruikte het boek van Watson The Double Helix (1968) dat 15 jaar na de ontdekking is geschreven. Het was het eerste populaire verslag van de ontdekking van (de structuur van) DNA. Het was me ooit aanbevolen door mijn biologie leraar op de middelbare school. Maar verschillende mensen hebben mij er op gewezen dat dit een zeer eenzijdige visie is op hoe het precies gegaan is. Mede-ontdekker Francis Crick heeft 37 jaar lang gewacht met zijn eigen boek "What Mad Pursuit: A Personal View of Scientific Discovery" (1990). Hij geeft een net iets andere visie op de ontdekking (zie p. 66-67 paperback), maar was toch 'de tweede man', dus enigszins 'belanghebbend'. Maurice Wilkins was ook betrokken bij de opheldering van de DNA structuur, maar werkte niet zo intensief samen met Watson en Crick. In zekere zin was hij een concurrent. Zijn boek verscheen in 2003 met de saaie maar overduidelijke titel The Third Man of The Double Helix.

    De controverse gaat over hoeveel informatie Watson en Crick gebruikten van de X-ray fotos van Rosalind Franklin en in hoeverre dat zonder haar medeweten was. Rosalind Franklin was op haar 38e gestorven en heeft zelf geen boek geschreven over haar rol in de hele affaire. Er zijn twee boeken over haar verschenen: Anne Sayre (1975) Rosalind Franklin and DNA en Brenda Maddox (2002) Rosalind Franklin: The Dark Lady of DNA. Sayre zou een feministisch boek geschreven hebben. Maddox zou evenwichtiger zijn. Verder is belangrijk de visie van Aaron Klug (2004), die haar rol zeer gedetailleerd heeft beschreven: 'The Discovery of the DNA Double Helix' (pdf). Dat artikel is zeer waardevol omdat Klug ongepubliceerde manuscripten van Franklin gebruikt. Klug is ook nog op het Web of Stories te vinden met een video van 4 minuten. Aanbevolen.

    Erwin Chargaff was niet direct betrokken bij de pogingen van Watson en Crick om een 3D-model van DNA te bouwen, maar onafhankelijk van Watson en Crick hij had in 1951 gepubliceerd dat de bases A en T atlijd in gelijke hoeveelheden in DNA voorkwamen, net als de bases C en G. Het wonderbaarlijke is dat Chargaff wel besefte dat het iets moest betekenen voor de structuur van DNA, maar hij trok niet de conclusie dat de bases in paren voorkwamen. Hij heeft regelmatigheden ontdekt in het voorkomen van bases die nu nog van belang zijn volgens sommige bioinformatici (Donald Forsdyke). Hij schreef een autobiografie Heraclitean Fire: Sketches from a Life Before Nature (1978) (heb ik niet gelezen).

    Dan zijn er nog twee bekende wetenschapshistorische werken over de ontdekking van DNA die Francis Crick noemt: Robert Olby (1974) The Path to the Double Helix (herdruk in paperback juni 2012), en Horace Freeland Judson (1979) The Eight Day of Creation (in 1996 verscheen een expanded paperback editie). Beide moet ik nog lezen. Het tweede boek is zeer levendig geschreven (volgens Crick) en beschrijft ook de ontdekking van de genetische code. Maar beide geven een goed en gedetailleerd overzicht over de opkomst van de moleculaire biologie.

    De Nobelprijs
    De Nobelprijs voor de ontdekking van DNA werd in 1962 gegund aan Watson, Crick en Wilkins. Drie personen is het maximum en de prijs mag niet aan overleden personen gegeven worden. Dus Rosalind Franklin kwam toen niet in aanmerking want ze was 4 jaar eerder overleden. Zwak was de argumentatie van het Nobel commité dat niemand haar had voorgedragen! Dan doe je dat toch zelf! Misschien ook tegen de regels? Anyway, ze was al overleden. Volgens Crick hadden er twee prijzen uitgereikt kunnen worden (in 1958) in verschillende gebieden zodat Franklin er ook bij was. Chargaff lijkt me niet in aanmerking komen want die deed (voor zover ik weet!) niet aan model building. Als je Chargaff ook in de prijs zou laten delen, dan zouden er nog wel een paar wetenschappers in aanmerking komen, zoals Jerry Donohue, die Watson en Crick wees op een cruciale fout in de configuratie van de bases in de chemie handboeken. En moet je dan ook niet de directe bazen van Watson, Crick, Wilkins en Franklin die het hele onderzoek mogelijk hebben gemaakt, mee laten delen in de prijs?

    Met dank aan: Martin, Arno Wouters, Nand Braam voor de discussies (laat ik dat in ieder geval doen nu ze nog leven! Helaas is drie het maximum :-)



    Vorige blogs over DNA: