Voor het eerst is het wetenschappers gelukt alle levensprocessen van een compleet levend organisme in een computersimulatie na te bootsen.
Een complete cel van de minibacterie Mycoplasma genitalium zit nu in de computer. Hierma kan voor het eerst een levend organisme doorgerekend worden. Bron: Stanford.edu
Voor het eerst bestaat er nu een organisme zonder een black box. Mycoplasma genitalium, een parasitaire bacterie die in de geslachtsorganen van onder meer de mens leeft, heeft het kleinst bekende genoom van alle bekende bacteriën: slechts 525 genen (waarvan 482 voor eiwitten coderen), die samen 580.070 baseparen (de ‘letters’ van DNA) in beslag nemen. Dit is extreem weinig. De beruchte E. coli-bacterie, bijvoorbeeld, heeft acht maal zoveel genen, de mens zelfs rond de 20 000. M. genitalium kan zich dit veroorloven vanwege de oparasitaire levenswijze: veel essentiële eiwitten en andere moleculen worden van de gastheercel geroofd. Het probleem tot nu toe was, dat celbiologen wel wisten welke eiwitten ruwweg welke functie hadden, maar het zicht op het grote geheel ontbrak. Nu is daar voor het eerst wel sprake van.
Eerste volledige model
In het celmodel, ontwikkeld door een lab van Stanford Universiteit onder leiding van Markus Covert, zijn de gegevens uit meer dan 900 wetenschappelijke publicaties verwerkt, die de effecten van de verschillende genen beschrijven. M. genitalium is zo eenvoudig dat nu alle interacties bekend zijn en er dus voor het eerst een compleet model van een cel in de computer zit. Het grote voordeel is dat nu zeer veel experimenten op de computer gedaan kunnen worden in plaats van, moeizaam, in vitro in het lab. In het model komen meer dan 1900 experimentele parameters voor, die gegroepeerd zijn in 28 biologische processen. In het model werken deze 28 processen op elkaar in. Het resultaat kan het gedrag van M. genitalium behoorlijk nauwkeurig imiteren, aldus hoofdauteur Jonathan Karr van de groep.
Bio-CAD
De ontwikkeling van dit model maakt het voor het eerst in de geschiedenis mogelijk om biologische organismen op de tekentafel te ontwerpen. Niet door trial and error, op dit moment gebruikelijk in biochemische laboratoria, maar deterministisch. Zoals nu machines ontworpen worden. Een dergelijk bio-CAD systeem zou een revolutie voor de biotechnologie betekenen en een grote sprong voorwaarts betekenen voor de ontwikkeling van bacteriën die bepaalde op dit moment zeer schaarse en dure medicijnen produceren. Ook het omzetten van restafval uit de landbouw in biobrandstof of biologisch afbreekbare plastics – of, waarom niet, voedsel – wordt zo praktisch haalbaar.
Biologisch model van een menselijke cel?
De hoofdprijs bestaat uiteraard uit het volledig vastleggen van alle biochemische processen in een menselijke cel. Deze is extreem veel ingewikkelder dan een M. genitalium bacterie, maar in principe betekent volledige kennis van de menselijke cel, dat onsterfelijkheid en genezing van alle ziekten van de mens binnen bereik komt. Ook kan je denken aan het ontwerpen van een ‘supermens’, met een superieure biochemie en bijvoorbeeld veel meer uithoudingsvermogen of snelheid. De droom van Fyodorov, de inspirator van het Russische Kosmisme, was de mens uiteindelijk te veranderen in een wezen dat kan leven van zonlicht. Op dit moment is de vereiste computer-rekencapaciteit nog buiten bereik, maar de Wet van Moore stelt dat de computercapaciteit elke twee jaar verdubbelt. Exponentiële groei zal uiteindelijk ook dit binnen bereik brengen.
Bron
Stanford researchers produce first complete computer model of an organism, Stanford persbericht, 2012
Jonathan Karr et al., A Whole-Cell Computational Model Predicts Phenotype from Genotype, Cell, 2012 (alleen abstract gratis)
