Voorouderlijke sequentiereconstructie: eiwitten uit het verleden opnieuw tot leven wekken
Stel je voor dat taalkundigen aan de hand van Frans, Spaans en Italiaans het Latijn kunnen terugreconstrueren, zonder dat er ooit een Latijnse tekst is teruggevonden. Iets vergelijkbaars doen biologen met eiwitten en genen. Voorouderlijke sequentiereconstructie, in het Engels ancestral sequence reconstruction (afgekort ASR), is een rekenkundige methode waarmee wetenschappers de bouwsteenvolgorde van uitgestorven, miljoenen jaren oude genen en eiwitten proberen te achterhalen. Dat gebeurt niet door fossiel DNA op te graven, maar door slim te kijken naar de erfelijke informatie van nu levende soorten.
Het idee is dat elk levend organisme een soort levend archief is: in het DNA van een mens, een vis en een bacterie zitten sporen van een gemeenschappelijke voorouder die soms honderden miljoenen jaren geleden leefde. Door de verschillen en overeenkomsten tussen de genen van veel verschillende soorten wiskundig te analyseren, kunnen onderzoekers berekenen hoe de genetische sequentie van die voorouder er waarschijnlijk uitzag. Sommige laboratoria gaan nog een stap verder: ze bouwen die oeroude genen synthetisch na en laten cellen het bijbehorende eiwit produceren. Zo kun je, letterlijk, een eiwit in een reageerbuis onderzoeken dat sinds de tijd van de dinosaurus niet meer heeft bestaan.
Wat is het precies?
De basis van elke voorouderlijke sequentiereconstructie is een fylogenetische boom: een stamboom die laat zien hoe soorten evolutionair met elkaar verwant zijn en wanneer ze zich in de loop van de tijd van elkaar hebben afgesplitst. Zulke bomen worden opgebouwd met behulp van DNA- of eiwitsequenties van nu levende organismen.
De eerste stap is een zogeheten multiple sequence alignment: de sequenties van hetzelfde gen bij verschillende soorten worden onder elkaar gelegd, zodat overeenkomstige posities (bijvoorbeeld dezelfde aminozuurplek in een eiwit) precies op elkaar aansluiten. Daarna gebruiken onderzoekers statistische modellen van evolutie, die beschrijven hoe waarschijnlijk het is dat het ene bouwsteentje (een aminozuur of DNA-letter) in de loop van generaties verandert in een ander.
Met die modellen en de stamboom als uitgangspunt berekent een computer, meestal met een methode die maximum likelihood of Bayesiaanse statistiek heet, wat de meest waarschijnlijke sequentie was op elk knooppunt van de boom: dat wil zeggen, bij elke voorouderlijke splitsing. Het resultaat is geen zekerheid maar een kansverdeling: voor elke positie in het gen geeft het model aan welke bouwsteen het waarschijnlijkst is, en met hoeveel zekerheid.
Bij de meest ambitieuze projecten stopt het niet bij de computerberekening. Onderzoekers bestellen de berekende DNA-sequentie bij een gespecialiseerd bedrijf dat DNA synthetisch kan maken, plaatsen dat DNA in bacteriën of andere cellen, en laten die cellen het voorouderlijke eiwit daadwerkelijk aanmaken. Vervolgens testen ze in het laboratorium hoe dat eiwit zich gedraagt: is het stabiel, actief, hittebestendig? Dit onderdeel van het vakgebied wordt ook wel paleo-eiwitchemie of experimentele paleogenetica genoemd.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is fundamenteel: begrijpen hoe evolutie op moleculair niveau werkt. Door te zien hoe een eiwit stap voor stap veranderde, kunnen onderzoekers reconstrueren welke mutaties nieuwe functies mogelijk maakten, en in welke volgorde dat gebeurde. Dat is iets wat je niet kunt zien door alleen naar de eindproducten van vandaag te kijken.
Een tweede motivatie is praktisch. Voorouderlijke eiwitten zijn vaak opvallend robuust: ze zijn geëvolueerd om te functioneren onder omstandigheden die soms sterk verschilden van vandaag, en ze blijken in het laboratorium regelmatig stabieler en hittebestendiger dan hun moderne tegenhangers. Dat maakt ze interessant voor de biotechnologie, waar stabiele enzymen gewild zijn voor industriële processen, wasmiddelen, biobrandstof of medische toepassingen.
Een derde toepassing ligt in de immunologie en vaccinontwikkeling. Door te reconstrueren hoe afweercellen (B-cellen) in het lichaam stap voor stap muteren tot ze een virus effectief kunnen neutraliseren, proberen onderzoekers vaccins te ontwerpen die het immuunsysteem langs diezelfde route sturen, sneller en gerichter dan het lichaam dat zelf zou doen.
Tot slot speelt ASR een rol in het onderzoek naar de oorsprong van het leven: door metabole eiwitten van de zogeheten laatste gemeenschappelijke voorouder van al het leven op aarde (LUCA, last universal common ancestor) te reconstrueren, hopen wetenschappers meer te weten te komen over hoe de vroegste levensvormen, miljarden jaren geleden, energie en stofwisseling regelden.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste vroege voorbeelden komt van bioloog Joseph Thornton en collega's, die in 2003 in het tijdschrift Science een gereconstrueerde voorouderlijke steroïdhormoonreceptor beschreven. Ze lieten zien hoe deze receptor, zo'n 450 miljoen jaar geleden, via een klein aantal mutaties gevoelig werd voor een nieuw hormoon, een schoolvoorbeeld van hoe complexe nieuwe functies in kleine stappen kunnen ontstaan.
Scheikundige Steven Benner en zijn groep werkten begin jaren 2000 aan gereconstrueerde enzymen uit voorouders van bacteriën en archaea die honderden miljoenen tot ruim een miljard jaar geleden leefden. Ze toonden aan dat deze oude enzymen vaak veel hittebestendiger waren dan moderne varianten, wat aansluit bij het beeld van een warmere of thermisch wisselvalligere vroege aarde.
In 2004 publiceerden onderzoekers rond Belinda Chang en collega's reconstructies van voorouderlijke lichtgevoelige eiwitten (opsines) om te begrijpen hoe het kleurenzicht van gewervelde dieren zich ontwikkelde, later gevolgd door verder werk naar het nachtzicht van vroege zoogdieren die in de tijd van de dinosauriërs vermoedelijk vooral 's nachts actief waren.
Bij het Duke Human Vaccine Institute in de Verenigde Staten gebruikten immunologen rond Barton Haynes vanaf ongeveer 2013 voorouderlijke reconstructie van antilichaamlijnen om te begrijpen hoe zeldzame, breed neutraliserende antilichamen tegen hiv in patiënten ontstaan, kennis die wordt ingezet bij het ontwerpen van kandidaat-vaccins.
Bioloog William Martin en collega's van de Heinrich Heine Universität in Düsseldorf reconstrueerden in 2016 op basis van duizenden genen een schets van het metabolisme van LUCA, de gemeenschappelijke voorouder van bacteriën en archaea, en dus mogelijk van al het cellulaire leven op aarde.
Hoe ver is de techniek?
Voorouderlijke sequentiereconstructie is inmiddels een gevestigde, breed toegepaste methode binnen de evolutionaire biologie en biotechnologie, met standaardsoftware zoals PAML, RAxML en IQ-TREE die door duizenden onderzoeksgroepen wereldwijd wordt gebruikt. De statistische onderbouwing is de afgelopen twintig jaar sterk verbeterd, mede dankzij snellere computers en grotere hoeveelheden beschikbare DNA-data.
Toch zijn er stevige beperkingen. Hoe verder terug in de tijd, hoe onzekerder de reconstructie: bij een voorouder van honderden miljoenen jaren oud kan een model voor sommige posities in het eiwit maar met matige zekerheid een keuze maken tussen twee of drie mogelijke bouwstenen. Onderzoekers werken daarom vaak met meerdere plausibele versies van eenzelfde voorouderlijk eiwit om te zien of hun conclusies overeind blijven.
Een ander fundamenteel probleem is dat er, op enkele uitzonderingen na, geen manier is om de reconstructie rechtstreeks te toetsen aan een echt fossiel exemplaar van het gen: DNA vergaat doorgaans na hooguit enkele honderdduizenden jaren, dus voor de meeste diepere reconstructies is er geen ouder materiaal om mee te vergelijken. De methode steunt dus vrijwel volledig op de innerlijke logica van het model, niet op direct bewijs uit het verleden.
De laatste jaren wordt ASR versterkt door voortschrijdende technieken uit de kunstmatige intelligentie, zoals eiwitstructuurvoorspelling met programma's als AlphaFold, waarmee onderzoekers niet alleen de sequentie maar ook de driedimensionale vorm van een voorouderlijk eiwit kunnen inschatten voordat het in het laboratorium wordt nagemaakt. Dat versnelt het proces, maar de fundamentele onzekerheid over sequenties uit de zeer diepe evolutionaire geschiedenis blijft bestaan.
Wie werken eraan?
Het veld is sterk academisch georiënteerd, met toonaangevende groepen aan onder meer de University of Oregon (Joseph Thornton), University of Chicago, University of Toronto (Belinda Chang) en de Heinrich Heine Universität Düsseldorf (William Martin) in Duitsland. In het Verenigd Koninkrijk heeft University College London, met statisticus Ziheng Yang, belangrijke software en modellen voor fylogenetische reconstructie ontwikkeld die wereldwijd de standaard vormen.
Op het gebied van vaccinontwikkeling speelt het Duke Human Vaccine Institute in de Verenigde Staten een vooraanstaande rol, met steun van Amerikaanse onderzoeksfinanciers zoals de National Institutes of Health. Ook het Europees Bioinformatica Instituut (EMBL-EBI) in Groot-Brittannië draagt bij aan de databases en reken-infrastructuur die voor dit soort onderzoek nodig zijn.
In de biotechnologiesector passen bedrijven die industriële enzymen ontwikkelen, zoals gespecialiseerde eiwit-engineeringbedrijven in de Verenigde Staten en Europa, voorouderlijke reconstructie toe om stabielere enzymen te vinden voor toepassingen in wasmiddelen, voedingsmiddelenindustrie en biobrandstofproductie. Het onderzoek blijft over het geheel genomen sterk verspreid over universiteiten in Noord-Amerika, West-Europa en in toenemende mate Oost-Azië, zonder één dominant land of instituut.