Tagarchief: experimenten

Een onzekere wetenschap.

De wetenschappelijke methodiek…verandert en transformeert haar object: een procedure kan niet langer onafhankelijk gezien worden van de invloed van de onderzoeker op het onderzochte object.”  Werner Heisenberg, 1958.

Wat beoogt Heisenberg hier duidelijk te maken?

Nobelprijswinnaar Wener Heisenberg (1901-1976) is één van de grondleggers van de kwantumfysica geweest, en de onzekerheidsrelatie van Heisenberg is wellicht zijn belangrijkste contributie. Kwantumfysica is de wetenschap van de onzekerheid en dubbelzinnigheid. Het biedt een alternatief kader van de werkelijkheid waarbij alle gebeurtenissen niet op voorhand bepaald kunnen worden. De realiteit gereduceerd tot kansberekening, toeval zelfs. Dat komt omdat de allerkleinste deeltjes van materie wonderbaarlijke eigenschappen hebben waarbij de deeltjes zich voor een meting tegelijkertijd in een combinatie van mogelijkheden kan bevinden. De daadwerkelijke meting dwingt het kwantumsysteem pas om te kiezen tussen één van deze mogelijkheden. Dit was (en is) een geweldige breuk met de klassieke Newtoniaanse fysica omdat de toestand van het hele universum op ieder moment nu niet meer te voorspellen is. Wat Heisenberg met de bovengenoemde citaat illustreert is dat door de basisprincipes van kwantummechanica het onmogelijk is om een fysiek object te bestuderen zonder het op een bepaalde manier te beïnvloeden. Met andere woorden: er kan geen meting plaatsvinden zonder verstoring. Dit is de kern van Heisenbergs onzekerheidsrelatie gepubliceerd in 1927. Wat vele echter niet weten is dat deze onzekerheidsrelatie een theoretische voorspelling was op basis van zijn intuïtie, en die nu bijna een eeuw later empirisch is vastgesteld!

Kwantumfysica is natuurlijk een geweldige kweekvijver geworden niet alleen voor natuurkundigen maar ook voor filosofen. Als ik helemaal voor mijzelf mag spreken vind ik het een bijzonder interessant werkterrein. Toch moeten we de eigenschappen van kwantumsystemen niet uit hun verband trekken, het gaat hier om het gedrag van subatomaire deeltjes en niet het gedrag van de objecten die wij dagelijks met het blote oog waarnemen. Desalniettemin wordt kwantumfysica vaak door filosofen gebruikt als legitimatie voor de vrije wil, omdat de inherente onvoorspelbaarheid van kwantumfysica indeterminisme mogelijk maakt. Omdat een handeling enkel vrij is als ze niet gedetermineerd is, zou indeterminisme de randvoorwaarde voor vrije wil scheppen. Maar natuurlijk ook voor het toeval, en zijn wij hierdoor dan nog wel baas in eigen brein?

Hoe dan ook, men kan deze uitspraak van Heisenberg ook vanuit een wetenschapsfilosofisch perspectief interpreteren. In de wetenschap speelt “zintuigelijke kennis” (= observaties) een grote rol. Maar een wetenschapper is natuurlijk meer dan enkel een waarnemer. Geobserveerde gegevens moeten geïnterpreteerd worden en vervolgens verwoord/vertaald worden in wetenschappelijke theorieën en hypothesen. “De realiteit die we onder woorden kunnen brengen is nooit de werkelijkheid zelf”, een andere veelzeggende uitspraak van Heisenberg. Een interpretatie is a priori subjectief gegeven. Bovendien worden interpretaties gekaderd binnen een bepaald paradigma, en dat is natuurlijk ook gekleurd door het standpunt dat een wetenschapper verdedigt. De grondlegger van de wetenschapsfilosofie, Karl Popper, opperde dat objectieve kennis niet door verificatie maar door falsificatie gefundeerd werd. Dus niet enkel toetsbaarheid en reproduceerbaarheid van wetenschappelijke hypothesen, maar hun ontkrachting zijn de kernpunten van de objectieve wetenschap. Deze eigenschap verheft wetenschap tot een empirische activiteit waarbij heel nadrukkelijk wordt aangegeven en getoetst op welke grond een wetenschappelijke theorie zou moeten worden verworpen (dit in tegenstelling tot pseudowetenschap). Dit vereist dat de uitkomst van experimenten voorspelbaar moet zijn en een hypothese bevestigd of tegenspreekt. Dit spel van advocaat van de duivel is m.i. de essentie van goede wetenschap bedrijven.

De natuurwetenschap vanaf de Verlichting tot aan de 19de eeuw was vaak zuiver descriptief en derhalve fenomenologisch te noemen. Er was weinig inmenging van de onderzoeker/experimentator op het waargenomene. Vanaf de late 19de eeuw tot en met nu wordt steeds vaker het onderliggende mechanisme van bepaalde natuurwetten blootgelegd. Dit heeft als gevolg dat onderzoekers in feite de werkelijkheid beïnvloeden door proeven te ontwerpen om het gedrag van de materie met de omgeving op (moleculair en) mechanistisch niveau te verklaren. Dit schept een heel belangrijke valkuil waar naar mijn idee Heisenberg op zinspeelt in bovengenoemd citaat: de resultaten-bias van experimenten. Met andere woorden, de vertekening van de werkelijkheid (en dus kennis!) door proeven te ontwerpen die enkel een model kunnen bevestigen (en dus niet ontkrachten). Dit betekend dat proeven op zo’n manier ontworpen moeten worden waarbij ook alternatieve verklaringen gefundeerd kunnen worden. Strikt genomen mag er geen enkele bias in proeven verstopt zitten, alleen is dit veelal onmogelijk te bewerkstelligen. De valkuil waar Heisenberg voor waarschuwt kan men misschien beter de waarnemingsbias genoemd worden. Het selectief omgaan met waarnemingen zodat enkel een model bevestigd wordt. Als dit met opzet gedaan wordt spreken we van wetenschappelijk fraude, alleen gebeurt dit m.i. vaak op onbewust niveau. Het menselijk brein is zo geëvolutioneerd dat wij patronen, samenhang, en orde zeer snel opmerken en herkennen. “Zoek en zij zult vinden” is een wezenlijk gevaar wat we niet moeten onderschatten. Wij zien alleen zaken die we herkennen, het onbekende wordt haast letterlijk niet door ons brein geïnterpreteerd en dus ook niet gezien. Op het moment dat wij proeven doen en waarnemingen denken te maken moet men op deze valkuil bedacht zijn, want het is menseigen om verbanden te zoeken die wellicht helemaal niet causaal zijn. Op die manier passen we de natuur kunstmatig binnen onze (beperkte) verklaringsmodellen. Zo reconstrueren we als het ware de werkelijkheid, maar het is maar de vraag of zij de werkelijk realiteit is.

Copyright © 2015 dwarsliggersschrijven.nl

Celbiologen winnen Nobelprijs.

cel7 Oktober 2013 – 11:30. Gespannen kijk ik naar mijn computerscherm, en dan verschijnt het:

“The Nobel Assembly at Karolinska Institutet has today decided to award the 2013 Nobel Prize in Physiology or Medicine jointly to James E. Rothman, Randy W. Schekman and Thomas C. Südhof for their discoveries of machinery regulating vesicle traffic, a major transport system in our cells.”

Elk jaar kijk ik reikhalzend uit naar de bekendmakingen van de Nobelprijzen, de Oscars van de Wetenschappen. Dit jaar voor het eerst via het live-blog van de Britse krant The Guardian, waarvoor ze een dikke pluim verdient. Bij het lezen van de naam James Rothman gaat er een siddering van opwinding door mijn lijf. Ik weet direct waar het over gaat en welke namen hierop gaan volgen. De drie pioniers die het transportproces van moleculaire vracht in de cel ontrafeld hebben. Het vakgebied waar ik mijn gehele academische loopbaan aan heb gewijd. Ik ben niet alleen razend enthousiast vanwege het onderwerp, maar vooral omdat het een viering van de fundamentele wetenschap is. Het ondergeschoven kindje bij veel huidige beleidsmakers die vooral naar toepassingen streven. Ze falen in te zien dat onderzoek in de eerste plaats kennis oplevert, de belangrijkste randvoorwaarde voor een duurzame stroom aan innovaties. Fundamenteel onderzoek wordt gedreven door nieuwsgierigheid en verwondering hoe op het meest basale niveau materie met de omgeving reageert. Onderzoek hoort dus vooral origineel en vernieuwend te zijn, en een belangrijke vraag te beantwoorden. De Nobelprijs voor de Geneeskunde van dit jaar illustreert dat als geen ander.

De vraag die deze drie heren bezighield was de volgende: hoe komen moleculen op de juiste plek in de cel terecht? Het antwoord bleek een cellulair distributie systeem, ook wel de secretieroute genoemd. Net als het menselijk lichaam bestaan cellen ook uit organen. Deze celorganen worden organellen genoemd – voor kleine orgaantjes, en worden door een vettig membraan omsloten en beschermd van invloeden van buitenaf. Zoals in het lichaam ieder orgaan een specifieke functie vervult, zo ook de celorganellen. Hierdoor hebben organellen een verschillende chemische samenstelling, die je in het laboratorium als een soort van chemische vingerafdruk van elkaar kunt onderscheiden. Deze chemische samenstelling bestaat uit eiwit-, vet-, en suikermoleculen. Sommige moleculen verlaten echter de cel. Denk bijvoorbeeld aan hormonen (zoals insuline) en neurotransmitters; dat zijn stofjes die noodzakelijk zijn voor de informatieoverdracht tussen zenuwcellen bijvoorbeeld in ons brein.

Door al deze eigenschappen in overweging te nemen konden de wetenschappers voorspellingen maken welke randvoorwaarden noodzakelijk zijn zodat moleculen niet willekeurig ergens heen gestuurd worden. Het sleutelwoord hier is selectiviteit. Denk hier bijvoorbeeld aan een zeef waarbij je stoffen kunt scheiden op basis van hun grootte. Er moet dus een transportsysteem in de cel aanwezig zijn waarbij sommige moleculen selectief doorgang verkrijgen terwijl andere worden tegengehouden. Bovendien moeten zowel in de “zeef” als in de moleculen bepaalde informatie versleuteld zitten zodat de moleculaire vracht door middel van een sorteringsstap van elkaar onderscheiden kan worden en via een afleveringsstap op het juiste moment op de juiste plek binnen of buiten de cel terecht komt.

Op basis van deze voorspellingen werden er vervolgens proeven bedacht om hun geldigheid te testen. Één van de nieuwste Nobeltelgen, Randy Schekman bedacht eind jaren 70 van de vorige eeuw het volgende hele simpele, maar uiterst elegante experiment. Als moleculaire vracht, ook wel cargo genoemd, niet meer afgeleverd wordt, dan worden de cellen waarin zich deze cargo ophoopt zwaarder. Maar ja hoe kom je dan aan die zware cellen als je nog geen idee hebt hoe het proces werkt. Doordat alle informatie over het functioneren van de cel zit opgeslagen in het DNA, besloot hij willekeurige fouten in het DNA aan te brengen. Dat kan bijvoorbeeld door cellen bloot te stellen aan chemische stoffen waarbij er tijdens de vermenigvuldiging van DNA moleculen foute kopieën ontstaan. Die fouten in de DNA code noemen we mutaties- wat letterlijk “veranderingen” betekent. De willekeur waarbij deze mutaties ontstaan is heel belangrijk als je een proces probeert te ontrafelen maar nog niet weet waar je het precies zoeken moet. Er ontstaan nu verstoringen in heel veel verschillende processen in de cel, ook processen die helemaal niets met het transport van cargo moleculen te maken hebben.

secretie route_mutanten

Orginele bron: www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2013/med_image_press_eng.pdf

In plaats om te moeten zoeken naar de speld in een hooi berg voorspelden Schekman en zijn team dat de cellen waarbij het transport verstoord was in gewicht zouden toenemen. Vergeleken met de cellen waarbij dit proces wel doorgang kreeg zouden deze cellen dus zwaarder zijn. Na de behandeling werden de cellen als het ware gewogen en konden ze op die manier de zware cellen scheiden van de andere cellen. Hierna werden deze zwaardere cellen onder de microscoop bekeken en vergeleken met gezonde cellen die niet aan de chemische behandeling waren blootgesteld. Wat ze vervolgens zagen was dat in de zwaardere cellen zich membraan omhulde pakketjes vol met cargo ophoopten en in gezonde cellen niet. Dit bood perspectief! Immers werd hun vooronderstelling bevestigd, er hoopte werkelijk cargo op in de cellen die zwaarder waren. Door de chemische behandeling van cellen werden uiteindelijk een twintigtal verschillende genen gevonden die cellen zwaarder maakten. Genen zijn die stukjes DNA waarvan de informatie omgezet kan worden in de werktuigen van de cel; de eiwitten.

Om te bewijzen dat deze genen ook daadwerkelijk direct betrokken waren bij het transport van cargo werden ze één voor één uitgeschakeld. Wat bleek, cellen hebben inderdaad verschillende sorteerstations, die als moleculaire zeef dienen voor de selectieve afgifte van cargo. Deze sorteerstations waren oude bekenden voor de celbiologen: namelijk de celorganen of organellen. Tien genen waren betrokken bij het eerste sorteerstation van de cel: het endoplasmatisch reticulum, en twaalf genen bij het tweede sorteerstation: het Golgi apparaat. Als een gen dat betrokken is bij de eerste sorteerstation wordt uitgeschakeld, stapelen alle cargo moleculen zich daarin op. Enkel moleculen die in het Golgi apparaat, het celmembraan of buiten de cel werken vinden normaliter doorgang uit het endoplasmatisch reticulum. Met andere woorden, alleen die moleculen die hun functie in het endplasmatisch reticulum vervullen, blijven daar achter. Cargo moleculen die de cel uiteindelijk moet verlaten leggen de langste weg af en doorlopen beide sorteerstations. Hierbij wordt altijd dezelfde route gevolgd, van het endoplasmatisch reticulum, via het Golgi apparaat, naar de celmembraan (de laatste barrière tussen het binnenste van de cel en de buitenwereld) die ze vervolgens uitscheidt. Deze route noemen we de secretieroute, letterlijk “de weg die naar uitscheiding leidt”.

secretie routeIn de loop van de jaren is er een hoop werk verzet door de Nobellaureaten en andere wetenschappers, en is ons begrip van de secretieroute veel gedetailleerder. Zo weten we nu dat de cargo moleculen zelf ook signalen bevatten die de cel vertellen waar ze heen moeten. Je kunt het vergelijken met de postcode die je op een brief schrijft. Het transport tussen de verschillende sorteerstations (er zijn er inmiddels meer blootgelegd), wordt bewerkstelligd door membraan omhulde transportblaasjes, de cellulaire versie van de Ford Transit, waarin cargo moleculen veilig verpakt en vervoerd worden. Inmiddels is een heel scala aan moleculaire machines ontdekt die nodig zijn voor het vervoer van cargo in de cel. Zo heeft bijvoorbeeld Jim Rothman de moleculaire equivalenten voor klittenband en ritsen opgespoord die ervoor zorg dragen dat transportblaasjes aan de sorteerstations kunnen vastklitten en samensmelten om hun cargo af te leveren. Ook zijn er moleculaire steigers en kooien die transportblaasjes vanuit de sorteerstations kunnen vormen, en moleculaire scharen die de blaasjes vervolgens af laten snoeren. Er loopt zelfs een heel spoorwerk kriskras door cellen heen, waarlangs de met cargo gevulde transportblaasjes voorbij razen. Thomas Südhof ontdekte een soort van moleculaire schakelaar die in hersencellen aanwezig is en die heel precies de timing van afgifte of uitscheiding van neurotransmitters regelt. Zulk soort schakelaars bleken ook te werken in cellen die hormonen uitscheiden. In afwachting van het juiste signaal, worden op die manier zowel hormonen als neurotransmitters enkel uitgescheiden als ze nodig zijn, wat de cel een hoop energie bespaart.

Het is fascinerend en baanbrekend onderzoek geweest dat deze drie heren en hun laboratoria hebben verricht. De Nobelprijs hebben ze dan ook dik en dik verdiend. Hun onderzoek onderstreept bovendien de noodzaak om te blijven investeren in fundamenteel onderzoek. Defecten in het transport van cargo moleculen blijken namelijk in een verscheidenheid van ziekten op te treden, waaronder een aantal neurologische en immunologische aandoeningen, als ook bij diabetes. Alleen weten wetenschappers dat vaak niet op voorhand, waardoor het in het huidige financieringsklimaat maar zeer de vraag is of zulk grensverleggend onderzoek een lang leven beschoren is.

Zonder een basaal begrip over hoe een gezonde cel functioneert krijgen we geen nieuwe aanknopingspunten meer hoe we zieke cellen kunnen genezen. Fundamenteel onderzoek maakt het mogelijk geneesmiddelen te ontwerpen die precies aangrijpen op het punt waar het mis gaat in de cel. Dat zorgt niet alleen voor betere medicijnen, maar ook een hoop minder bijwerkingen. Investeringen in kennis en innovatie renderen dus vaak pas na langere tijd, soms pas na tien tot twintig jaar. Zeker als Nederland in de top 5 van de mondiale kenniseconomie wil blijven meedraaien zijn investeringen en een duurzaam kennis- en innovatiebeleid essentieel om die ambitie ook te kunnen verwezenlijken. Ik hoop dan dat onze huidige beleidsmakers met even veel enthousiasme als ik kennis hebben genomen van de Nobelprijs aankondigingen van dit jaar. Maar nog meer hoop ik dat ze het belang inzien van fundamenteel onderzoek en het één van de speerpunten van het beleid voor de komende jaren maakt.

Apart kader:
Wist je dat?

  • Transportblaasjes gemiddeld 4 keer zo snel zijn als Usain Bolt de 100 meter loopt!
  • Dat wij vlinders in onze buik voelen als we verliefd zijn, ons eten kunnen verteren, na kunnen denken, en ziektes bestrijden allemaal dankzij transportblaasjes!
  • Sommige virussen transportblaasjes kidnappen om zich te vermenigvuldigen!
  • De kennis van de secretieroute ons geholpen heeft om gistcellen insuline te laten produceren!
  • Het pigment in onze huid, haar, en ogen afkomstig is van gespecialiseerde transportblaasjes!
  • Een gemiddelde koe 25 liter melk per dag produceert door heel veel transportblaasjes te maken!
  • Rode bloedcellen (en bacteriën) de enige cellen in ons lichaam zijn die geen secretieroute hebben!

Copyright © 2013 dwarsliggersschrijven.nl

The rat race

Het ochtendkraken.
Half verdoofd kijk ik wat voor me uit.
Een dampende kop koffie staat klaar op tafel.
Weer een nieuwe dag.
Zucht.
Nee ik droom echt niet,
de harde realiteit kletst me recht in het gezicht.
Wakker worden jij!
Inderdaad, niet denken maar doen,
… vooral niet denken.
Hup, ontbijt wegwerken en de auto in.
Muziek keihard aan en ik laat me even helemaal gaan.
Eerst cellen snel afdraaien, mailtjes lezen, werkbesprekingen, oh ja die voordacht moet ook nog af, en de editor schreef terug…nieuwe deadline volgende week.
Studenten staan ongeduldig wat om me heen te dralen.
Wacht even nog,
snel m’n laatste gedachtenspinsels op papier zetten, straks vergeet ik ze nog.
Ja?
Waar de cellen gebleven zijn.
Diepe zucht en langzaam, h-e-e-l langzaam tellen tot 10.
Kijk eens in de centrifuge…
Initiatief mensen, initiatief!!!
Goed, focus, wat was ik ook al weer aan het doen?
Shit ik moet als de bliksem die PCR’s op gel zetten anders haal ik m’n college niet.
“Zet jij ze over een uurtje uit” gil ik nog. Ik moet echt rennen nu. “Thanks!”
Vrolijk vertel ik honderduit over de cellulaire machine.
Een dertigtal gebiologeerde ogen staren me aan.
Ik grijns; machtig mooi is dat!
Even nog de laatste vragen doornemen en weer verder.
Lunch-time seminar, tussen de boterhammen door schrijf ik gretig mee.
Scherp blijven – hoe zat dat ook al weer – aan het eind toch maar even vragen.
Het loopt uit,
jammer dan, maar ik moet weg want het volgende tijdspunt van m’n proef is zo dalijk al.
En terwijl ik door de microscoop naar m’n cellen tuur, pak ik effe een rust momentje.
Even helemaal alleen in het pikkedonkere kleine kamertje, dit is mijn flow room …
De resultaten zijn prachtig, net de sterrennacht van Van Gogh!
En data bevestigd bovendien onze hypothese.
Ha, mijn model nu dus mooi bewezen!
Maar morgen en overmorgen de proef eerst herhalen; n is 3!
De kudde studenten vertellen trots dat hun PCR’s gewerkt hebben.
Yes! Geweldig nieuws.
Meteen transformeren die handel, kunnen we morgen gelijk weer door.
“Even doorzetten, komt goed!”
Ik print nog wat artikelen; bed time reading voor straks.
Eerst naar huis, eten en schrijven.
Ja, ik moet echt schrijven vanavond anders haal ik die deadline niet.
Pfff effe zitten hoor, m’n gedachten hollen zowat m’n hoofd uit…
Rustig blijven, orde handhaven.
Alleen dat lezen schiet er zo wel bij in…
Dan maar even snel de abstracts scannen, dan weet ik het wel ongeveer.
Haastig schrijf ik nog wat laatste mails en dan naar bedje toe.
Wat ging ik morgen ook al weer doen?
Nee, morgen doe ik het echt rustiger aan…
Ja, of anders volgende week … of de week erna natuurlijk.
Ssst, slapen nu!
En weg ben ik

Copyright © 2013 dwarsliggersschrijven.nl