Hoe bacteriën vechten tegen hun vijanden

NRC Weekend Zaterdag 28 april & Zondag 29 april 2012
NRC Weekend Zaterdag 28 april & Zondag 29 april 2012
8 Wetenschap
9
Handelaar in geleerdheid
Bacterievreters (fagen, blauwgroen) spuiten hun turquoise gekleurde DNAstreng in een bacterie (oranje). De eiwitmachines van de bacterie (rood)
herkennen dit als gevaarlijk DNA, en maken in dat faag-DNA een buiging.
Een knipeiwit (het kleine wit oplichtende bolletje), knipt op die buiging
het faag-DNA in kleine stukjes. Daarna gebruikt de bacterie die DNA-bouwstenen weer voor zijn eigen (blauw gekleurde) DNA-strengen.
I L LU S T R AT I E C L A U S LU N A U
Blaeu maakte naast kaarten
en globes ook boeken – zoals een invloedrijke
editie van Copernicus’ meesterwerk.
GESCHIEDENIS
Karel Berkhout
N
Globe van Blaeu, 1645-1648. Doorsnede 68 cm. Deze globe toont de
eerste ‘kaart’ waarop Nieuw-Zeeland staat afgebeeld. Blaeu kreeg
als eerste informatie over de ontdekkingen van Abel Tasman rond
Australië.
COLLECTIE SCHEEPVAARTMUSEUM
iet lang nadat het Vaticaan het boek De revolutionibus orbium coelestium
van de astronoom Copernicus in 1616 verbood, publiceerde
uitgever Blaeu in Amsterdam dit
toen omstreden boek over de zon als
middelpunt van het heelal. ‘Verboden door Rome’ gold daarbij in de calvinistische Nederlanden als een aanbeveling, die de verkoop van het boek
waarschijnlijk heeft opgestuwd.
“Zoals tegenwoordig de toevoeging ‘ongeautoriseerd’ een biografie
commercieel aantrekkelijker maakt.
Of zoals het Italiaanse schrijversechtpaar Monaldi & Sorti reclame maakt
met het feit dat ze hun thrillers in
Amsterdam laten verschijnen omdat
die in Italië onder druk van Rome
niet kunnen verschijnen”, zegt historica Djoeke van Netten, die onlangs is gepromoveerd op een proefschrift over Blaeu (zie kader).
Willem Jansz Blaeu (1571-1638) is
wereldberoemd als maker van atlassen, globes en kaarten, maar veel
minder als uitgever van wetenschappelijke boeken. Toch groeide Blaeu
vroeg in de Gouden Eeuw uit tot de
grootste wetenschappelijke uitgever
van de jonge handelsnatie en bracht
behalve het boek van Copernicus ook
vele (school)boeken over wiskunde,
astronomie en navigatie uit.
Blaeu was een behendige boekenkoopman, die uiteindelijk
een fortuin vergaarde met zijn
commerciële aanpak. Typerend was dat hij ook katholieke werken publiceerde,
waarover
calvinistische
dominees
tevergeefs
klaagden bij het stadsbestuur. Tegelijkertijd was
Blaeu een geleerd man,
die als leerling van de beroemde Deense sterrenkundige Tycho Brahe grote kennis verwierf over
wiskunde en astronomie.
“Per brief sprak Blaeu bijvoorbeeld met Brahe af om
op hetzelfde tijdstip de
maansverduistering te bestuderen – om een afstand te berekenen”, vertelt Van Netten, “Dat was
vooral voor de wetenschap.”
Blaeus dubbelrol van handelaar en
geleerde was ook goed zichtbaar bij
de uitgave van het boek van Copernicus in 1617. In de wetenschappelijke
wereld werd rond 1600 gedebatteerd
over de al eerder gepubliceerde opvatting van de Poolse astronoom dat
de zon niet om de aarde draaide, zoals de Bijbel meldt, maar andersom
(heliocentrisme). In Nederland werd
de bijbelse leer aangehangen – ook
door de meeste geleerden en autoriteiten – maar het debat kon zonder
problemen worden gevoerd.
“Blaeu zag een mogelijkheid om
geld te verdienen door de heruitgave
van De revolutionibus”, zegt Van Netten, maar een geheid kassucces was
Willem Jansz Blaeu
GRAVURE VAN JEREMIAS FALCK
het boek zeker niet: “De meeste
hoofdstukken bevatten wiskunde
die voor een groot publiek ondoorgrondelijk is. Dat Blaeu het boek wilde uitgeven was ook omdat hij de
ideeën van Copernicus wilde verspreiden.” Na de vermaarde uitvinder Simon Stevin was Blaeu de tweede Copernicaan in de Republiek.
De twee eerdere edities van De revolutionibus – gedrukt in het buitenland – waren uitverkocht. De Gro-
ningse geleerde Mulerius – een antiCopernicaan – bewerkte het boek,
waarbij hij vooral fouten in de wiskunde corrigeerde. De heruitgave
heette dan ook Astronomia Instaurata, waarbij ‘instaurata’ iets betekent als ‘hersteld’.
De uitgave van Blaeu was
door zijn beschikbaarheid en
kwaliteit eeuwenlang dé editie van Copernicus’ boek. Het
pleidooi van de Italiaan Galilei voor Copernicus geldt als
beslissend in het debat over
het heliocentrisme. “Maar
het boek van Blaeu verdient
een plaats naast Galilei”, vindt
Van Netten, “door deze editie
is het debat vermoedelijk eerder en scherper gevoerd.”
Dat illustreert hoe belangrijk
Blaeu en zijn collega-uitgevers waren voor de wetenschap in de zeventiende eeuw. “Dankzij hun commerciële aanpak. Doordat zij brood zagen in bepaalde wetenschappelijke
boeken, verspreidden zij kennis”,
zegt Van Netten. Het lijkt alsof de uitgevers toen alleen geïnteresseerd waren in bestsellers en niet in minder
profijtelijke ‘zuivere’ wetenschap.
“Maar het begrip ‘zuivere wetenschap’ is een negentiende-eeuws
concept”, zegt Van Netten. Dat kun je
niet op de zeventiende eeuw leggen.
“Toen zag de wetenschap er heel anders uit. Geleerden voerden gesprekken, maar die zijn vergeten. Ze schreven brieven, maar alleen onderling.
Het zijn de boeken waarin de kennis
is vastgelegd en die nog altijd ons
beeld van de wetenschap in die tijd
bepalen.”
Bacteriën hebben een slimme
verdedigingslinie: een databank met belagers.
Na een match worden die vernietigd.
B I O LO G I E
Marianne Heselmans
Hoe bacteriën
vechten tegen
hun vijanden
J
Vriend van zeelieden en geleerden
De grote doorbraak van
Willem Jansz Blaeu als uitgever kwam met het Het
licht der zee-vaert (1608),
een boek vol zeekaarten.
Het was zeker niet het eerste navigatiehandboek,
maar gold wel decennia
lang als het beste. De kaarten waren actueler dan in
andere boeken, de tabellen
helderder en de houtgravures fraaier. Er was een extra
pagina met een oproep om
fouten te corrigeren.
Het hoofdstuk over Het
licht der zee-vaert is typerend voor het proefschrift
Koopman in kennis van
Djoeke van Netten (1980).
De dissertatie is helder geschreven, rijk aan veelzeggende details en geeft behalve van Blaeu ook een
beeld van de Nederlandse
wetenschap en het drukkerswezen in de vroege zeventiende eeuw.
Blaeu was een meesterlijke
netwerker, die zowel goede
contacten onderhield met
zeelieden (in het begin van
zijn loopbaan) als (later)
met regenten. Hij ging veel
om met de grootste geleerden van zijn tijd, onder wie
Caspar Barlaeus en Hugo
de Groot (Grotius), van wie
hij ook de werken uitgaf.
Bij Grotius werd Blaeu aanbevolen door zijn neef P.C.
Hooft, dichter en toneelschrijver. Blaeu was namelijk ook goed thuis in literai-
re kringen en was lang de
grootste uitgever van toneelteksten en poëzie. Een
literair talent als Vondel
had hij vroeg in het vizier.
Door zijn eruditie is Blaeu
wel aangeduid als mercator sapiens, een ‘wijze
koopman’. Van Netten verzet zich tegen deze kwalificatie van Barlaeus, omdat
‘sapiens’ sloeg op mensen
die bij de vormgeving van
hun leven teruggrepen op
de klassieke filosofen en
dichters. Blaeu beheerste
het Latijn matig en leidde
niet het ingetogen leven
van de humanist. Blaeu
was een mercator doctus,
een geleerde koopman.
Zijn kennis hielp Blaeu bij
het (laten) corrigeren van
het drukwerk, dat meestal
van hoge kwaliteit was.
Waar geleerden over andere uitgevers mopperden,
hadden zij geen klachten
over de kwaliteit van Blaeus uitgaven. Blaeu verving
op tijd de drukblokken, vergrootte soms de letters
voor de leesbaarheid en
deed al snel al het drukwerk in eigen beheer. Wel
was hij soms traag. Zo
klaagde Vossius erover dat
de uitgave van zijn boeken
maanden aansleepte.
De handelseditie van
‘Koopman in Kennis’ verschijnt dit najaar bij Walburg Pers.
Omslag van ‘Het licht der zee-vaert’ (1608) van Willem Jansz Blaeu. B I J Z O N D E R C O L L E C T I E S V A N U N I V E R S I T E I T S B I B L I O T H E E K A M S T E R D A M
e zou het niet denken, maar ook
bacteriën hebben een geheugen.
Veel soorten kunnen zich ‘herinneren’ welke specifieke vijanden hen of hun voorouders ooit hebben belaagd. Als ze deze belagers dan
weer tegenkomen, hakken ze die gericht in mootjes.
Hoe ze dat doen, blijkt nu uit foto’s van de vechtende darmbacterie
Escherichia coli, vorige week in Molecular Cell. De foto’s zijn het resultaat
van vijf jaar wereldwijd onderzoek
aan een ingenieus immuunsysteem
onder bacteriën, eentje met een geheugen.
Bacteriën worden bedreigd door
bacteriofagen, letterlijk vertaald:
bacterievreters, de virussen van bacteriën. Het zijn niet-levende eiwitDNA-deeltjes van 20 tot 200 nanometer groot. In een gram melk kunnen
er 100 miljoen zitten. Kijk op plaatjes
hoe eng ze eruit kunnen zien, met
hun eiwitkoppen vol spijkers, hun
scherpe hechtharen, hun lange, bobbelige eiwitkragen en hun sliertig
DNA. Ze zitten overal. In onze darmen, in potgrond, in vlees, op onze
huid en op onze bureautafel.
Sommige zijn agressief. Eerst boren hun uitsteeksels zich in de bacterie. Dan spuiten ze hun DNA naar binnen. Dan kan deze bacterie niet anders dan als een razende faag-DNA en
faag-eiwit gaan maken. Om na een
half uur uitgeput en vol met spijkerige fagen open te barsten. Zijn soortgenoten achterlatend met duizenden nieuwe bacterievreters.
Dat er überhaupt nog leven is, is te
danken aan een scala aan immuunsystemen onder bacteriën. Tien jaar
geleden dachten microbiologen nog
dat bacteriën zich maar op een paar
eenvoudige manieren konden verdedigen. Bekend was bijvoorbeeld wel
dat ze zich onzichtbaar voor fagen
kunnen maken en dat ze het binnendringen van faag-DNA kunnen blokkeren. En ook dat ze willekeurig al
het DNA dat niet van henzelf is kapot
kunnen knippen. Maar dat ze precies, uit miljoenen soorten fagen, die
fagen kunnen herkennen die het speciaal op hen hebben gemunt, dát verwachtte men niet van eencelligen
zonder celkern.
Afgelopen jaren bleek echter zo’n
vijftig procent van de bacteriesoorten zo’n immuunsysteem te hebben.
In 2007 kwam het Deense biotechnologiebedrijf Danisco – inmiddels van
chemieconcern DuPont – met de eerste bewijzen (Science, 23 maart 2007).
Het geheugen voor fagen, meldde dit
bedrijf toen, is een kenmerkend
stukje ‘harde schijf’ in het bacterieDNA, bestaande uit steeds weer terugkerende rijtjes van zo’n dertig letters.
Tussen die repeterende stukjes eigen
DNA, CRISPR genoemd, kunnen de
bacteriën stukjes DNA opslaan van de
agressieve fagen die ze wisten te overleven. Al snel daarna bleek dat de
darmbacterie E. coli in zijn CRISPrDNA de gegevens heeft van 20 fagen.
Anderen, zoals de vulkaanbacterie
Sulfolobus solfataricus, hebben honderden stukjes faag-DNA opgeslagen.
Dit databestand, dat zo’n 1 procent
van het totale DNA kan beslaan, geven
de bacteriën aan de volgende generatie door.
E i w i t m a ch i n e s
Intussen zijn ook details onthuld
over de eiwitmachines die continu,
als politieagenten, DNA-strengen in
bacteriecellen controleren op faagDNA. Deze eiwitmachines, ‘Cascades’
geheten, zijn een paar grote in elkaar
gekronkelde slingers. Daarin zit een
kopietje van het in het geheugen opgeslagen faag-DNA, in de vorm van
een zogeheten RNA-molecuul. Signaleren die eiwitmachines ergens in de
cel DNA, dan gaan ze met dat kopietje
de hele streng langs om te checken of
het gevaarlijk faag-dna is. Bacteriën
die in hun geheugen DNA hebben opgeslagen van honderd fagen, kunnen
dus ook honderd verschillende controlerende eiwitmachines in hun cel
hebben zwemmen.
Maar hoe maakt zo’n controlerende eiwitmachine het gevaarlijke DNA
kapot, nadat hij dit heeft herkend?
Microbioloog Edze Westra van de
Wageningen Universiteit is eerste
auteur van de publicatie hierover in
Molecular Cell van 16 april. Samen met
de Leidse onderzoeker Remus Dame
was hij jaren bezig de verdediging
succesvol in een kweekbakje na te
bootsen en in foto’s te vangen. En
toen lukte het.
De onderzoekers lieten de darmbacterie E. coli de Cascade-eiwitmachine maken. Ook lieten ze hem
een vreemd stukje DNA in zijn geheugen opslaan. Vervolgens stelden zij
de bacterie bloot aan het vreemde
DNA en fotografeerden wat er gebeurde. Met atoomkrachtmicroscopie
volgden ze tot op de nanometer hoe
de Cascade-eiwitten dit vreemde DNA
aanvielen.
Hun foto’s zijn bewerkt tot de illustratie hierboven. De turquoise ketting is het binnengedrongen faagDNA, de rode bolletjes het cascadecomplex. “Kijk”, zegt Westra enthousiast door de telefoon vanuit een
laboratorium in Engeland. “Eerst
wordt het DNA gebogen. Dan gaat het
cascade op de buiging liggen. En dan
knipt een ander eiwit het DNA door.”
In het plaatje zijn dat de oplichtende
witte bolletjes. “Bij ons was het DNA
binnen enkele minuten tot losse
bouwstenen afgebroken. In de natuur, waar de omstandigheden beter
zijn, gebeurt dit waarschijnlijk binnen enkele seconden.”
Westra en collega’s toonden ook
aan hoe elegant het controleren van
DNA-strengen gaat. Om lettercodes te
Een opname met een elektronenmicroscoop toont hoe
vele fagen een bacterie aanvallen F O T O G R A H A M C O L M
checken, moeten de in elkaar gestrengelde DNA-strengen eerst uit elkaar worden getrokken, wat energie
kost. Het Cascade-eiwitcomplex
blijkt nu alleen te binden aan DNA dat
‘opgewonden’ is, zoals een opgewonden elastiek of een ouderwetse telefoonsnoer. De energie die vrijkomt
bij het losser maken van de strengen
gebruikt hij voor zijn controlewerk.
Maar een hoop vragen zijn nog
niet opgelost, vertelt de onderzoeker
ook. “Er zijn nóg twee immuunsystemen met zo’n geheugen bekend.
Daarvan is nog niet opgehelderd hoe
het faag-DNA wordt afgebroken.”
Ook onduidelijk is nog hoe de bacteriën faag-DNA in hun eigen DNA inbouwen. En onder welke omstandigheden ze dit doen.
Waterige melk
Danisco/DuPont is al robuustere
bacteriën aan het maken. Hun bacteriën krijgen een geheugen ingebouwd met daarin het DNA van gevaarlijke fagen. Dat lijkt handig voor
zuivelbedrijven.
Zuivelbedrijven
kampen regelmatig met fagen die gericht hun melkzuurbacterie doden.
In plaats van yoghurt of kaas, krijgen
ze dan waterige melk met eiwitklonten. Ook voor de bacteriële productie
van medicijnen, chemicaliën of bioplastic kan het nuttig zijn om bacteriën te hebben die fagen weten te verslaan.
En zo kan dit onderzoek misschien ook de ‘faagtherapie’ helpen.
Faagtherapie is een nog experimentele therapie, waarbij in plaats van
antibiotica, gericht fagen worden ingezet om ziekmakende bacteriën te
doden. Zulke therapieën mislukken
als de bacteriën die medicinale fagen
in hun geheugen gaan opslaan. Maar
nu kunnen biotechnologen die fagen
zo veranderen, dat ze het bacteriegeheugen omzeilen. Net als in de natuur, waar fagen natuurlijk ook
voortdurend proberen om hun
prooien te slim af te zijn.