Met evolutie kun je slimmer eiwitten ontwerpen! |
|
Box 1. Evolutie als ontwerp van onze afweer
De mechanisme van evolutie (vermeerdering met verandering gevolgd door selectie) spelen op verschillende belangrijke plaatsen een rol bij onze afweer. Witte bloedlichaampjes kunnen antistoffen maken tegen vrijwel elke ziektemaker die ooit gemaakt is of gemaakt kan worden. Deze variatie aan antistoffen is zo rijk dat het menselijk genoom te klein is om het allemaal te berschrijven. Daar heeft het afweersysteem wat opgevonden, namelijk het ontwerpen van een grote bibliotheek antistoffen door evolutie (afbeelding 7). Het erfelijk materiaal van het afweersysteem is voorbereid voor evolutie. De genen die coderen voor antistoffen liggen als vele, net iets andere kopiën achter elkaar op hun chromosoom. Deze genen worden door speciale eiwitten vrijgemaakt, zodat in een on rijpe witte bloedcel homologe recombinatie kan plaats vinden in een gewone celdeling. Dit leidt tot een bibliotheek van B lymfocyten die vele varianten van antistoffen kunnen maken die ook nog eens uniek is voor iedere persoon. Deze witte bloedcellen worden negatief geselecteerd op reactiviteit met het eigen lichaam, en positief op het maken van functionele antistoffen. In het totaal maakt de mens honderden miljarden verschillende antistoffen. Vervolgens is het wachten voor de lymfocyten totdat ze in contact komen met het nog onbekende antigeen (lichaamsvreemde stof) waartegen ze gericht zijn.
Na een infectie worden de lymfocyten die de juiste antistoffen maken geselecteerd. Hun antistof dat nog aan de cel zit bind aan het antigeen. Het binden van die antistof-receptor leidt tot het zich vermeerderen van die B cel. Zo ontstaat een kloon van B cellen specifiek gericht tegen die ziekteverwekker.
Maar de afweerreactie kan nog verder evolueren. Bij een herhaalde blootstelling aan hetzelfde antigeen vindt opnieuw evolutie plaats in de B lymfocyten. Vele willekeurige mutaties en selectie zorgen voor antistoffen die nog beter werken, net zoals bij de evolutie in de reageerbuis. Het resultaat is dat nog betere antistoffen ontstaan die sterker aan het antigeen binden.
Na een infectie worden de lymfocyten die de juiste antistoffen maken geselecteerd. Hun antistof dat nog aan de cel zit bind aan het antigeen. Het binden van die antistof-receptor leidt tot het zich vermeerderen van die B cel. Zo ontstaat een kloon van B cellen specifiek gericht tegen die ziekteverwekker.
Maar de afweerreactie kan nog verder evolueren. Bij een herhaalde blootstelling aan hetzelfde antigeen vindt opnieuw evolutie plaats in de B lymfocyten. Vele willekeurige mutaties en selectie zorgen voor antistoffen die nog beter werken, net zoals bij de evolutie in de reageerbuis. Het resultaat is dat nog betere antistoffen ontstaan die sterker aan het antigeen binden.
AFB.7. Evolutie ontwerpt het afweersysteem
De variatie van het afweersysteem wordt gemaakt door dezelfde processen die een rol spelen bij evolutie. Als eerste worden de witte bloedcellen (lymfocyten) gemaakt in het beenmerg (A). Door willekeurige veranderingen en vooral ook door recombinatie (zie seks in een reageerbuis) kunnen ze ieder een unieke receptor maken (B). Deze antistoffen functioneren tevens als een receptor op de B cel waardoor die signalen krijgt over hoe zijn antistoffen door de selectie komt. B-cellen met antistoffen die ergens aan kunnen binden worden positief geselecteerd (C), waardoor de B-cellen die dit niet kunnen verdwijnen. Antistoffen tegen je zelf (auto-reactief) zijn gevaarlijk, dus B-cellen die deze kunnen maken worden gedood (D). Op deze manier krijg je een bibliotheek van allemaal verschillende antistof hebben B-cellen in je bloed (E). Bij een infektie worden die B-cellen die goede antistoffen maken geselecteerd en die gaan zich delen waardoor er vele duizenden klonen ontstaan (F). Indien een infektie langer duurt, of indien je opnieuw geïnfecteerd wordt door hetzelfde virus of de dezelfde bacterie dan gaan de B-cellen zich opnieuw delen. Er treden bij een herhaalde infectie ook willekeurige veranderingen en recombinatie van antistoffen op waardoor een nieuwe bibliotheek ontstaat die vele varianten kent die allemaal enigszins lijken op de eerste bibliotheek (G). Vervolgens worden uit de bibliotheek de meest effectieve antistoffen geslecteerd die nog sterker binden aan het virus of bacterie (H). Kort gezegd: de mechanismen van evolutie zijn van groot belang voor het afweersysteem. Op 2 verschillende plaatsen zijn recombinatie en willekeurige veranderingen (mutaties) van groot belang; voor 4 verschillende stappen is selectie van groot belang.
De variatie van het afweersysteem wordt gemaakt door dezelfde processen die een rol spelen bij evolutie. Als eerste worden de witte bloedcellen (lymfocyten) gemaakt in het beenmerg (A). Door willekeurige veranderingen en vooral ook door recombinatie (zie seks in een reageerbuis) kunnen ze ieder een unieke receptor maken (B). Deze antistoffen functioneren tevens als een receptor op de B cel waardoor die signalen krijgt over hoe zijn antistoffen door de selectie komt. B-cellen met antistoffen die ergens aan kunnen binden worden positief geselecteerd (C), waardoor de B-cellen die dit niet kunnen verdwijnen. Antistoffen tegen je zelf (auto-reactief) zijn gevaarlijk, dus B-cellen die deze kunnen maken worden gedood (D). Op deze manier krijg je een bibliotheek van allemaal verschillende antistof hebben B-cellen in je bloed (E). Bij een infektie worden die B-cellen die goede antistoffen maken geselecteerd en die gaan zich delen waardoor er vele duizenden klonen ontstaan (F). Indien een infektie langer duurt, of indien je opnieuw geïnfecteerd wordt door hetzelfde virus of de dezelfde bacterie dan gaan de B-cellen zich opnieuw delen. Er treden bij een herhaalde infectie ook willekeurige veranderingen en recombinatie van antistoffen op waardoor een nieuwe bibliotheek ontstaat die vele varianten kent die allemaal enigszins lijken op de eerste bibliotheek (G). Vervolgens worden uit de bibliotheek de meest effectieve antistoffen geslecteerd die nog sterker binden aan het virus of bacterie (H). Kort gezegd: de mechanismen van evolutie zijn van groot belang voor het afweersysteem. Op 2 verschillende plaatsen zijn recombinatie en willekeurige veranderingen (mutaties) van groot belang; voor 4 verschillende stappen is selectie van groot belang.
Box 2. Evolutie ontwerp of toeval?
Evolutie in het laboratorium laten zien dat evolutie oplossingen kan maken voor ontwerpproblemen die beter zijn dan die van computerprogramma's. Hieruit zou men af kunnen leiden dat evolutie de beste ontwerper is. Toch staat voor de evolutie in de natuur de rol van ontwerp ter discussie. Voor Darwin was het in de discussie van "over het ontstaan van de mens" (1871) duidelijk dat de mens ontworpen was. De meeste moderne biologen denken echter dat evolutie toeval is. Dat is ook wat wijlen Stephan Jay Gould over de evolutie-theorie aan het grote prubliek vertelde. Zijn collega evolutie-bioloog Simon Conway Morris.is fel gekeerd tegen de idee dat evolutie toeval is. Conway Morris ziet evolutie als een manier van ontwerpen (door God). Dat evolutie een manier van ontwerpen is, komt overeen met de bevindingen in het lab en van antistoffen. In de redenatie van veel moleculair biologen zoals Gould, zijn beide manieren van ontwerpen toeval. Ter vergelijking: als een dokter vaccineert en er ontstaat immuniteit beschouwt hij het resultaat echter niet als toeval. Ontwerpers in het lab zullen hun evolutionaire producten ook niet zien als een toevallig resultaat, maar schrijven dit toe aan de gebruikte methode. Dit geeft een goede aanleiding om serieus te heroverwegen in welke mate evolutie toeval en ontwerp is.
John Jacobs
