Het genetisch alfabet is uitgebreid met twee letters

Vandaag publiceerde het tijdschrift Nature [1,2] een onderzoek waarin wordt aangetoond dat DNA met twee nieuwe bases (d5SICS en dNaM [3]) gevormd kan worden en dat een bacterie dat nieuwe DNA kan copieren alsof het zijn eigen DNA was. Dit is voor het eerst dat DNA met nieuwe bases in een levend organisme functioneert. Tot nu toe was dit alleen in vitro gelukt.

De universele standaard basen in DNA zijn de beroemde: A,T,C,G. Daar zijn nu twee aan toegevoegd. Vanaf nu kunnen we de vraag Waarom DNA? Wat zijn de voordelen van DNA? serieus onderzoeken. Want zonder alternatieven kun je de prestaties van DNA niet vergelijken met alternatieve erfelijkheids moleculen. DNA had het absolute monopolie. Je kunt dan hoogstens vaststellen dat DNA aardig voldoet als erfelijkheidsmolecuul. Maar dat wisten we al zo'n 3,5 miljard jaar. Want zolang doet DNA al dienst als drager van de erfelijkheid. Nu zijn er concurrenten op het toneel verschenen. Althans, in het lab. 

Een bacterie met eigen DNA en plasmid DNA.
De gele stip is een nieuwe base.
Gewijzigde figuur uit wikipedia.

 

De onderzoekers hebben DNA gesynthetiseerd met de nieuwe base. Dat hebben ze ingebracht in de bacterie E. coli. Bovendien hebben ze de bacterie zodanig gemodificeerd dat hij/zij de nieuwe bases uit het kweekmedium opneemt en inbouwt in nieuwe kopieën van het plasmide DNA. Het reparatiesysteem van de bacterie accepteerde het vreemd DNA. Het werd niet verwijderd of afgebroken. De nieuwe bases interfereren niet met de bestaande machinerie, voor zover bekend. Ik verwacht dat de nieuwe bases zich alleen kunnen handhaven op de lange termijn als ze voordelen hebben voor de bacterie.

Er zitten verschillende aspecten aan nieuw DNA. Het eerste is: kun je met die nieuwe bases een stabiele en regelmatige dubbele helix structuur maken? Daarvoor moeten de afmetingen en de orientatie van de bases correct zijn, en ze moeten met elkaar paren zoals A paart met T en C met G. De paring moet specifiek zijn. De  nieuwe bases mogen niet met A,T,C,G paren. En niet met zichzelf [6]. Alleen met de andere base van het paar. Watson en Crick hadden het maar makkelijk! Ze wisten al dat ze de structuur van DNA moesten bepalen op basis van A,T,C,G. Niks geen gezeur over alternatieve bases. [5]

Een tweede aspect is: kan de machinerie van de cel dat DNA kopiëren? (polymerase enzymen). Dat is nu gelukt.

Een derde aspect is: kan het nieuwe DNA afgelezen worden en kan er een eiwit geproduceerd worden? (translatie). Dat is nog niet aan de orde. Daarom kunnen we de vraag nog niet beantwoorden of deze nieuwe bases gelijkwaardig of zelfs superieur zijn aan de bestaande 4 bases.

Een vierde aspect is: kan de cel de bases zelf produceren? (anders is de cel afhankelijk van import uit de omgeving). Nog niet geprobeerd.

De onderzoekers zijn nog niet zover dat het nieuwe DNA ook afgelezen kan worden en er een eiwit geproduceerd kan worden. Maar potentieel kun je die twee nieuwe bases ook laten coderen voor de oude vertrouwde 20 aminozuren, maar ook voor een hele reeks nieuwe, niet natuurlijke aminozuren. Die zouden ingebouwd kunnen worden in eiwitten, zodat je eiwitten hebt met niet-natuurlijke aminozuren. Deze eiwitten kunnen eigenschappen heb die met geen enkel natuurlijk eiwit te realiseren zijn.

Een vijfde aspect is: werkt dit ook in DNA van planten, dieren en mensen (eukaryoten)? De bacterie (prokaryoot) heeft relatief simpel DNA. Mensen (en alle eukaryoten) hebben chromosomen. Dat is DNA verpakt in zeer specifieke eiwitten (histonen, etc). Hoe reageren de nieuwe bases met histonen? Hoe is de stabiliteit van het nieuwe DNA wanneer het miljoenen bases lang is? etc etc etc. Voorlopig zijn dit theoretische overwegingen omdat geen enkele ethische commissie nieuwe bases in het DNA van de mens zal toelaten. Het is überhaupt nog niet geprobeerd in planten en dieren. Zelfs nog niet in het eigen DNA van de bacterie (zie plaatje) voor zover mij bekend. Maar bacterieën zou je kunnen laten evolueren door natuurlijke selectie in het lab om steeds beter met het nieuwe DNA om te gaan. En dat is een hele klus, want er zijn tientallen enzymen betrokken bij DNA en bij eukaryoten honderden. Evolutie heeft er lang over gedaan om de machinerie te perfectioneren en alles op elkaar af te stemmen.

Een zesde aspect is: hadden deze nieuwe bases een rol kunnen spelen bij het ontstaan van het leven? Hadden ze een kans gemaakt om de standaard bases van DNA te worden? Zouden ze een één van de twee baseparen hebben kunnen vervangen? Of als derde basepaar kunnen fungeren? Het is nu nog te vroeg om deze vragen allemaal te kunnen beantwoorden. Maar een belangrijke mijlpaal in het onderzoek is bereikt.

Een Engelse versie van dit blog is ook op Panda's Thumb verschenen.

Noten

1. Denis A. Malyshev et al (2014) A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet, Nature, 15 May 2014. (dit is het originele artikel)
2. Ross Thyer, Jared Ellefson (2014) Synthetic biology: New letters for life's alphabet, Nature, News and Views, 15 Mei 2014 (online 7 May 2014) (dit is een begeleidend commentaar in hetzelfde Nature nummer)
3. Op deze pagina vindt je plaatjes van de nieuwe bases.
4. Robert F. Service "Creation's Seventh Day", Science, Volume 289, issue of 14 Jul 2000 p 232-235. (dit is een commentaar 14 jaar geleden op eerdere pogingen nieuwe bases te ontwikkelen).
5. Dit is natuurlijk enigszins ironisch uitgedrukt. Ik heb geblogd over de keuzemogelijkheden voor de structuur van DNA op 25 jan 2012 Wat waren de keuzemogelijkheden voor de structuur van DNA in 1953? Inderdaad, Watson en Crick hadden geen last van alternatieve bases, maar ze hadden in principe bijv. A met A kunnen laten paren.  [16 mei 2014]
6. 'Niet met zichzelf'. Dat is niet een absolute eis. Het hangt er van af. Als je nieuwe bases kunt ontwerpen die in gepaarde vorm even breed zijn (dezelfde afmetingen) als alle andere gepaarde bases, dan zijn ze geschikt voor DNA. Het grappige is dat Watson en Crick in 1953 vlak voordat ze de juiste structuur van DNA ontdekten ook overwogen hebben om A met A etc te laten paren. Daar is zelfs een afbeelding van (zie mijn blog van 25 jan 2012). Ze kwamen er al gauw achter dat DNA dan dikkere en dunnere plekken had en dat zou problemen op leveren. Zie p.145 James D. Watson The Double Helix. (penguin paperback). [17 mei 2014]

 

Vorige blogs over dit onderwerp

Vooral van belang is de serie Waarom DNA? (10 jan 2012)
t/m Waarom DNA? (5) XNA: een belangrijke stap naar functioneel alternatief DNA (20 april 2012)

Klimaatverandering. Herman Philipse. Lezing 3 en 4

Gastbijdrage Nand Braam

 

Lezing 3: Hoe te handelen bij onzekerheid?

Das grüne paradoxon van Hans Werner Sinn (econoom) laat zien dat bij onzekerheid vaak gekozen wordt voor korte termijn politiek. Bijvoorbeeld Canada had in het Kyoto-protocol een CO2-reductie beloofd van 6 % in 2009 t.o.v.  1990. Daarna werden grote teerzandlagen ontdekt in Canada, waaruit olie gewonnen kan worden. Dat werd in 2009 dus 17% vermeerdering van de CO2-productie voor Canada t.o.v. 1990. In 2011 stapte Canada uit het overleg. De vertoning was zo genant dat Canada zich hieruit alleen kon redden door zich terug te trekken. Kortom: hoe kunnen we free-riders straffen?

 
Bij de huidige onzekerheid kunnen we het volgende doen:

1. Terugdringen CO2-uitstoot. Mitigatie is zeer kostbaar. Alle grote landen moeten meedoen. Strafmaatregelen voor landen die niet meedoen.
2. Adaptaties.  Mitigatie is een wereldwijd probleem, adaptatie een lokaal probleem. Nederland moet nadenken/berekeningen maken over dijkverhogingen (gebeurt al volop). Arme landen lopen veel grotere risico’s (moreel probleem voor de rijke landen). Adaptatie is niet altijd mogelijk. Bijvoorbeeld als het gaat om de verzuring van de oceanen bij hogere CO2-concentraties in de lucht, is adaptatie eigenlijk niet mogelijk.
3. Geo-engineering. Toepassen van technieken die de opwarming van de aarde tegengaan. Het bekendste voorbeeld is de opslag van CO2 ondergronds. Speculatiever is het verminderen van de zonne-invloed door Aardse verwitting (geeft meer weerkaatsing van zonlicht) of soort spiegeltjes in de lucht laten zweven (albedo-verhoging; meer weerkaatsing van het zonlicht)

Kunnen  de kosten van investeren in klimaatmaatregelen afgewogen worden tegen de voordelen op lange termijn? Moeilijk. Bijvoorbeeld: als we de dijken in Nederland met 1 meter verhogen (kosten nu …. Euro), wat levert ons dat op over bijvoorbeeld 100 jaar (in euro)??.
Voorbeeld: Nederland kocht in 1626 Manhattan van de Indianen voor 26 dollar. Met een rekenrente van 4% zou dat nu 152 miljard dollar zijn. Wat hebben we aan dat soort berekeningen?

Bij de onzekerheden moeten we ook rekening houden met belangrijke omslagpunten:

1. Smeltend landijs in Groenland en Antarctica; minder weerkaatsing zonlicht: zichzelf versnellend albedo-effect.
2. Onder de toendra’s in het Noordpool-gebied bevinden zich grote hoeveelheden methaan. Als de permafrost ontdooit, komen er grote hoeveelheden methaan vrij (de methaan-bom). Methaan is een zeer sterk broeikasgas. Methaan wordt in de atmosfeer echter langzaam geoxideerd. Moeilijk in te schatten probleem.
3. Het eventueel doodgaan van de koraalriffen zal funest zijn voor de visstand wereldwijd.
4. Een andere tijdbom is de snelle aantasting van de oerwouden in het amazone-gebied.

Benadering: Voorzorgsbeginsel of verwachte waardebeginsel? Handelen volgens het voorzorgsbeginsel betekent bijvoorbeeld: tot ieder prijs voorkomen dat de “methaanbom” ontploft.

Herman Philipse kiest voor het voorzorgsbeginsel bij CO2-mitigatie. Dan dus bijvoorbeeld 10 % van het BNP per jaar investeren in maatregelen om CO2-mitigatie te bevorderen.

Vierde lezing: wat moeten we doen?

Uitgangspunt: geen pessimisme als zelfvervullende profetie maar ook niet teveel optimisme. Een realistische benadering dus volgens Philipse. Maar Philipse liet nu juist blijken tijdens deze lezingen behoorlijk pessimistisch te zijn. Maar goed het woord realistisch doet het altijd beter dan het woord pessimistisch, zeker in wetenschappelijke kringen.
Onze uitdaging in getallen: stel: we willen CO2equivalent-concentratie in 2050 beperken tot max. 500 ppm. [NB: dit is wellicht te hoog: 96% kans dat de temperatuur dan meer dan 2ºC stijgt t.o.v. pre-industrieel niveau; 44% kans meer dan 3ºC! Maar: we zitten nu al rond 450 ppm CO2equivalent-concentratie (402 ppm CO2)]. Dan moeten we de mondiale CO2-uitstoot in 2050 reduceren tot 50% van het 1990 niveau (we zitten nu ruim 60% boven het 1990 niveau). Dat betekent gemiddeld per persoon wereldwijd een reductie van 7-8 ton CO2equivalent per jaar naar 2 ton per jaar (groei wereldbevolking in acht genomen). Een bijna onmogelijke taak.
Domeinen van handelen:

1. Opvangen en opslaan C02
2. Overstappen naar uitstootvrije energie
3. Stoppen ontbossing met name in Brazilië en Indonesië; internationale hulp is nodig
4. Delen technologie met ontwikkelingslanden
5. Meer investeren in onderzoek

Nivo’s van handelen: Individu, bedrijf, lokale gemeenschappen, land, wereld. Op individueel nivo is de invloed gering. Wat zou het individu toch kunnen doen tegen klimaatopwarming?:

1. Niet reizen met het vliegtuig
2. Auto de deur uit
3. Huis isoleren
4. Wordt vegetariër (18% CO2-equivalenten uitstoot komt op rekening van vleesproductie en consumptie)
5. Politiek activisme: klimaatprobleem hoog op agenda zetten; Nederland is nauwelijks meer aanwezig in de debatten.

Middelen op het nivo van landen : marktwerking; CO2-belasting, emissiehandel of regulering?
Elke maatregel apart heeft zijn beperkingen. Waarschijnlijk is een mix van maatregelen het beste.
Op wereldschaal is internationale harmonisatie erg belangrijk.

1. Voeg wereldbank en IMF samen tot een WEO (World Environment Organisation).
2. doelstelling globale emissiereductie per decennium.
3. ontwikkelingslanden moeten snel meedoen (2020) want: in 2050 wonen daar 8 der 9 miljard mensen.
4. per land invoering emissiebelasting of –handel.
5. internationale samenwerking om ontbossing te stoppen.
6. ontwikkelen en delen technologieën.
7. adaptatiehulp arme landen.

Dit slagveld overziende is mijn (Nand Braam) tip aan u, als u op korte termijn op individueel nivo iets substantieels wilt doen tegen de klimaatopwarming en hetgeen u geheel en al zelf in de hand heeft:

Eet zo weinig mogelijk vlees.

 
Vorig blog over dit onderwerp:

Klimaatverandering. Herman Philipse lezing 1 en 2 (5 mei 2014)

Klimaatverandering. Herman Philipse lezing 1 en 2

Gastbijdrage Nand Braam

De afgelopen tijd hield Prof.dr.mr. Herman Philipse een viertal lezingen over klimaatverandering in het kader van de Studium Generale aan de Universiteit Utrecht. Hij gaf een filosofische analyse van onze grootste uitdaging, zoals hij het zelf noemt. De vier lezingen zijn hier te beluisteren, daar zijn ook de handouts van de 4 lezingen te vinden.

Voor de overzichtelijkheid hier een korte samenvatting van de lezingen van Herman Philipse.

Lezing 1: Een historisch overzicht van het klimaatprobleem

Sinds de oprichting van het IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) in 1988 in Toronto is er eigenlijk onder klimaatwetenschappers nauwelijks twijfel meer over de opwarming van de aarde sinds 1950 (deel 1 vijfde klimaatrapport IPCC , 2013). Zeer waarschijnlijk is de menselijke invloed dominant bij deze opwarming. In deel 2 van het vijfde rapport (1 maart 2014) worden de gevolgen uitgelegd van deze opwarming. Niemand zal ongeraakt blijven. 

Is de mens in het antropoceen de architect van zijn eigen ondergang? De antropogene uitstoot van CO2 neemt nog steeds exponentieel toe. Het gehalte in de atmosfeer is gestegen van 280 ppm vóór de industriële revolutie tot 400 ppm nu. Noch onze morele vermogens noch de politiek zijn voldoende uitgerust om het probleem snel op te lossen.

Het is gemakkelijk te vluchten in vals bewustzijn of foptimisme (overdreven optimisme, zodanig dat je jezelf fopt). [1]

Er is eigenlijk geen tijd te verliezen. De aanpassingen moeten we snel doen. Probleem is dat in de media er ruim baan gegeven wordt aan klimaatsceptici. Tegenover één mening (van het IPCC) moet voor het noodzakelijke tegenwicht een andere mening komen te staan volgens de media voor het zogenaamde evenwicht in de discussie. Maar de klimaatsceptici zijn ruim in de minderheid en hebben geen goed onderbouwd verhaal. 

Opwarming tot een verhoging van 2 graden hoeft niet gevaarlijk te zijn. Opwarming komt door opvangen van infrarood licht bij uitstraling ervan door de aarde door de volgende moleculen in de atmosfeer: H2O, CO2, CH4,O3, N2O, chloorfluorkoolwaterstoffen (cfk’s). 

CO2 is het grootste probleem omdat het niet of nauwelijks afgebroken wordt in de natuur. In 1624 ontdekte van Helmont het CO2 als sylvester-gas. Reeds in 1827 voorspelde Fourier het broeikaseffect. 

Arrhenius voorspelde al in 1896 bij een verdubbeling van het CO2-gehalte een stijging van de gemiddelde temperatuur op aarde van 4- 6 graden Celcius. Helemaal geen slechte schatting volgens de huidige klimaatmodellen. 

Klimaatverandering is een hot item in de wetenschap . Er verschijnen ca. 10.000 papers per jaar over klimaatverandering. 

Fingerprinttechniek laat zien dat van alle mogelijke oorzaken voor opwarming het effect van broeikasgassen in de lagere atmosfeer het sterkst is. Vooral door de extra uitstoot van CO2 door menselijk toedoen sinds 1950. 

Toename onzekerheid in causale keten:

1. Antropogene factoren; er zijn redelijk betrouwbare schattingen te maken van de antropogene productie van broeikasgassen.
2. Grotere onzekerheid over opname CO2 in klimaatsysteem. Redelijk zeker is dat nog veel CO2 in de oceanen zal worden opgenomen.
3. Nog grotere onzekerheid  over de daadwerkelijke opwarming.  Hoeveel zal de zeespiegel stijgen? Gevolgen?
4. Grootste onzekerheid rondom H2O als broeikasgas. Als er meer waterdamp in de lucht komt (door hogere temperatuur), kan het ook zijn dat er meer wolkenformaties komen met als gevolg een groter albedo-effect (terugkaatsing zonlicht), een temperatuurverlagende factor.

Tweede lezing: Waarom is het klimaatprobleem zo moeilijk voor ons?

Omdat het uiteindelijk een moreel/ethisch probleem is.

Eigenlijk zou de CO2-uitstoot nu drastisch teruggebracht moeten worden, maar praktisch is dat politiek niet haalbaar. Steven Gardner pleit voor een “moral storm” zoals de inspanningen na de Tweede Wereldoorlog (Marshall-hulp , opbouw EEG etc) om een groot deel van de wereld weer op orde te krijgen.

Aanpassingen zijn moeilijk. CO2 blijft gemiddeld heel lang in de atmosfeer en hoopt zich op in het klimaatsysteem.  Als het zeenivo in Nederland meer dan 1 meter gaat stijgen, wordt aanpassing moeilijk. Hoe snel moeten we de CO2-uitstoot beperken?  Moeten we toe naar een systeem dat ieder mens dezelfde footprint krijgt voor wat betreft CO2? Een inwoner van de VS heeft nu de grootste footprint op dit gebied. De emissie-handel blijkt niet te werken.

Bezitters van fossiele brandstoffen (de oliesjeiks e.a ) compenseren voor inkomensverlies als de rest van de fossiele brandstoffen in de aarde moet blijven zitten?

Omdat de relatie oorzaak-gevolg eigenaardig  is, is het moeilijk om grip te krijgen op het probleem.

Auto/brommer-rijder schuldig aan CO2-uitstoot. Wat te doen? 

Vleeseter schuldig. Wat te doen?

We kennen individuele veroorzakers van extra CO2-uitstoot, bedrijven, landen (via de energiecentrales bv.). De gewone strafbepalingen werken niet.

Ook de verantwoordelijkheid is diffuus van aard. De verwachting is dat bij een hoger gehalte CO2 in de atmosfeer dan 560 ppm (nu ca. 400 ppm) de temperatuurstijging 4- 6 graden zal zijn. Dat zou desastreus zijn. Als dan over 500-600 jaar de zeespiegel zo hoog staat dat we kunnen spreken over een nieuwe zondvloed, voelen we ons daar dan nu verantwoordelijk voor of niet?

Het morele probleem is ook terug te zien in de kloof tussen arm en rijk. De nare gevolgen van het broeikaseffect zijn in eerste instantie voor de arme landen veel erger dan voor de rijke landen. Nederland is in staat de dijken substantieel te verhogen, arme Delta-landen niet.


De hamvraag is: bij onzekerheid niet handelen of uit morele overwegingen bij onzekerheid wel handelen? Het is zeer verleidelijk voor onze generatie om de problemen door te schuiven naar de volgende generaties. Het klimaatprobleem is een zeer ingewikkeld probleem, veel ingewikkelder dan het “prisoners-probleem” of het “’dorpsweide-probleem.”  Er zijn bij het klimaatprobleem heel veel spelers. Bovendien kennen we elkaar niet goed. Er is bovendien geen wereldbestuur met de mogelijkheid van bindende juridische sancties. Verder hebben we nog te maken met “Das grüne paradoxon” ( Hans Werner Sinn; econoom).  Deze paradox houdt bijvoorbeeld het volgende in: als de olieproducenten vrezen dat overgeschakeld gaat worden op groene energie, worden prijsverlagingen doorgevoerd om de klant te verleiden toch fossiele brandstoffen te blijven gebruiken tegen gereduceerde prijzen. Dat werkt, zodat we nu zelfs zien gebeuren dat goedkope steenkool en goedkoop schaliegas volop worden gebruikt. Resultaat: uitstoot CO2 neemt niet af.

Morele vermogens worden helaas grotendeels gedreven door de hersendelen die over emoties gaan en niet door de hersendelen die over de ratio gaan.

Een emotionele benadering van het klimaatprobleem zal niet werken. Voorzover bedrijven willen vergroenen zal de internationale competitie er vaak toe leiden dat er geen echt duurzaam beleid van de grond komt in zo’n bedrijf, maar dat het een goedkoop PR-praatje wordt.
 
Voor landen geldt dat ook. De Europese landen zijn strenger dan bijvoorbeeld China en India, maar doordoor wordt de concurrentiepositie voor de Europese landen slechter. Alle landen zullen moeten samenwerken. Echter er is geen wereldregering.
 
Herman Philipse is uiterst negatief over de rol van Nederland in dit geheel. Van koploper zijn we geworden tot een land dat geen visie meer heeft op het klimaatprobleem. De VVD is bang voor het populisme van de PVV. In de VVD is er altijd een krachtige autolobby geweest. Rutte met zijn propageren van visieloosheid, krijgt er opvallend vaak van langs van Philipse.

Noten

1. Noot van de blog eigenaar: ik had ten onrechte een vermeende typefout 'foptimisme' vervangen door 'optimisme' (Gert Korthof, 9 mei)

Aanvullende literatuur:

1. Klimaatverandering…. Hoezo klimaat verandering; Feiten fabels en open vragen, Pier Vellinga, 2011, Balans 
2. Vijfde rapport IPCC:
3. Wel ingelichte kringen