Aflevering 2: Het wonder van de fruitvlieg

Jaap Kaandorp wil weten hoe een embryo uitgroeit tot een organisme. Zijn onderzoeksgroep aan de Universiteit van Amsterdam (UvA) modelleert en visualiseert de kwaliteit van genregulatiemodellen, om zo de algoritmen waarmee ze worden berekend te verbeteren.

Je hebt in juli 470.907 euro ontvangen van NWO. Wat ga je met dat geld doen?

"Twee postdocs aannemen voor de duur van respectievelijk twee en drie jaar en één aio laten promoveren."

Hoeveel draagt de nu verstrekte subsidie bij aan je project?

"Zeer veel. Binnen de komende vier jaar hoopt mijn team fundamentele vragen te beantwoorden over hoe embryo's uitgroeien tot organismen."

Hoe praktisch toepasbaar is je project?

"Als we begrijpen hoe organismen zich ontwikkelen, weten we misschien beter hoe stoornissen in groeiprocessen ontstaan die tot kanker kunnen leiden."

Is Nederland innovatief bezig?

"Hoe kun je een kennismaatschappij opbouwen als er zo weinig bètastudenten worden opgeleid? Dat probleem geldt in verhevigde mate voor multidisciplinaire studies. Daarom is de UvA dit jaar gestart met een masteropleiding bio-informatica. Die opleiding bestaat ook al aan andere Nederlandse universiteiten, maar wij leggen het accent meer op wiskunde en informatica."

Wat houd je onderzoek in?

"Als je wilt ontdekken hoe embryo's zich ontwikkelen tot organismen, kun je maar beter eerst de eenvoudigste organismen onderzoeken. Dat zijn sponzen. Daarna volgen koralen, kwallen en poliepen. Fruitvliegen zijn al behoorlijk ingewikkelder, maar het voordeel is dat we hun genoom volledig kennen. Bovendien is de laatste tien jaar veel ontdekt over de manier waarop die genen tot uiting komen tijdens de embryonale ontwikkeling. We weten vooral veel over een vroege fase, waarin de celkernen van het embryo nog niet door membranen van elkaar gescheiden zijn.

Waar het embryo het dooiermateriaal raakt komt dan een gen tot expressie dat zich langzaam verspreidt van de voor- naar de achterkant van het embryo. Op plaatsen waar de concentratie van dit eiwit boven een bepaalde drempelwaarde komt, stimuleert het een tweede gen tot de aanmaak van een ander eiwit. Op die plaats komt later de kop. De staart ontstaat omdat de eiwitconcentratie op die plaats juist ónder een bepaalde drempelwaarde ligt. Zo komt een lange en ingewikkelde keten van genregulatie op gang. Biologen willen weten hoe regulatoire genen elkaar exact beïnvloeden.

Ze ontwikkelen modellen die beschrijven welke eiwitconcentratie welk gen in welke mate stimuleert tot het produceren van welk ander eiwit. Er zijn wiskundige technieken waarmee je de juiste waarden kunt opsporen. Dat is echter een uiterst rekenintensief proces. Zo duurt het uitrekenen van de waarden voor vijf à zes genen momenteel minimaal één week.Tijdens dat rekenproces worden steeds andere, willekeurige waarden in een simulatiemodel met elkaar gecombineerd.

Daarna wordt gekeken in hoeverre de uitkomst van deze simulatie lijkt op werkelijke ontwikkelingsfasen. Bij een groot verschil worden at random grote veranderingen in de waarden aangebracht. Bij een klein verschil worden de waarden slechts een klein beetje aangepast. Zo wordt het mogelijk een oplossing te vinden.Het systematisch doorrekenen van alle mogelijkheden is namelijk onhaalbaar.

Mijn onderzoeksgroep heeft als taak om groeiprocessen te modelleren en visualiseren. Daarnaast willen we de algoritmen aanpassen waarmee opeenvolgende toevalswaarden worden gekozen. Het is een lastig probleem, omdat de combinatiemogelijkheden en dus ook het visualisatieprobleem snel groter wordt naarmate het aantal genen toeneemt. Bij een aantal genen heb je bijvoorbeeld al te maken met n(n+5) dimensies in de oplossingsruimte.We verwachten door de inzichten die visualisatie oplevert echter zodanig veel efficiënter gebruik te maken van de beschikbare rekenkracht dat we in staat zullen zijn om de genregulatie te ontrafelen in een later en complexer stadium van de ontwikkeling.

De fase waarin een fruitvlieg het eerste ontwerp voor zijn lichaamsvormen ontwikkelt speelt zich af op één enkele dimensie, van kop tot staart. We willen natuurlijk echter ook beschrijven hoe lichaamsdelen ontstaan in twee en drie dimensies, in latere ontwikkelingsstadia en bij iets ingewikkelder organismen zoals sponzen en koralen."

[Beeld: Peter Pakvis]