Het (de)coderen van biologische algoritmes

Een levend wezen in een computerprogramma stoppen? En daar dan tijdreizen? Het is geen plot uit een futuristische jaren tachtig film, maar onderdeel van het onderzoek van Kirsten ten Tusscher, hoogleraar Computationele Ontwikkelingsbiologie. Zij probeert de complexe algoritmes te ontrafelen die de natuur gebruikt om uit één cel een meercellig levend wezen te maken. Op 30 januari 2019 houdt ze haar oratie getiteld ‘Het (de)coderen van biologische algoritmes’.

Van lichaams-as tot zandraket

Door het coderen van organismes zoals wijzelf, dieren en planten in computermodellen, probeert Ten Tusscher te decoderen hoe de natuur werkt en hoe de evolutie ontwikkelingsbiologische processen in de loop der tijd heeft gevormd. “Wat zo leuk is aan dit vakgebied is dat je je niet alleen bezig houdt met hoe iets in de levende natuur werkt, maar ook waarom het nu net op die manier werkt.”

Intrigerende vragen zijn bijvoorbeeld hoe mensen en dieren op precies symmetrische plekken precies even lange armen en benen vormen, en hoe planten soms juiststerk asymmetrisch groeien. Ook al is de einduitkomst tegengesteld, symmetrie dan wel asymmetrie, in beide gevallen is de vraag hoe de cellen en weefsels in het lichaam van een plant of dier communiceren om dit voor elkaar te krijgen en vervolgens waarom ze dat op een specifieke manier doen.

Ten Tusscher gebruikt in het geval van de plantenwortels een computermodel met daarin de genen, hormonen en omgevingsfactoren die een rol spelen bij wortelgroei. “Ik werk hiervoor samen met onderzoekers uit verschillende disciplines, die uit experimenteel onderzoek data leveren over bijvoorbeeld de invloed van fosfaattekort, bodemverzilting, overstroming of schaduw op de groei van planten. Met behulp van zo’n model ontrafelen we in mijn onderzoeksgroep welke factoren waarschijnlijk essentieel zijn voor het proces van zijwortelvorming en ook hoe mgevingsomstandigheden dit proces beïnvloeden. In samenwerking met experimenteel biologen testen we vervolgens of deze factoren daadwerkelijk doen wat ons model voorspelt.

De wisselwerking van theorie en experiment

“Theoretische en experimentele biologie vullen elkaar dus goed aan”, vertelt Ten Tusscher. “Enerzijds werk ik veel samen met experimenteel biologen aan vragen die met experimenten alleen niet kunnen worden opgelost. Bijvoorbeeld omdat zowel hele snelle maar ook hele langzame processen van belang zijn. Het is dan onmogelijk om deze processen experimenteel tegelijkertijd te bestuderen om zo oorzaak en gevolg uit elkaar te halen, maar dit kan in modellen juist wel heel goed. Anderzijds heb ik de hulp van mijn experimentele vakgenoten nodig om hypotheses die uit onze modellen naar voren komen te testen.”

“Het fijne van een computermodel is dat je door systematisch te variëren kunt kijken welke factoren wel en niet belangrijk zijn voor het nabootsen van bijvoorbeeld de groei van een zijwortel. En als je eenmaal weet hoe de natuur die zijwortel bouwt kun je zelfs een gek alternatief verzinnen, dit inbouwen in een alternatief model en kijken of hier nadelen aan zitten die verklaren waarom de natuur op een bepaalde manier zijwortels bouwt.” Bovendien kun je met computermodellen zelfs tijdreizen en dan ook nog in meerdere parallelle universa: je kunt het proces van evolutie heel veel keren in de computer simuleren en kijken wanneer en onder welke omstandigheden welk type organismes evolueren. “Zo kun je er achter komen of de natuur wellicht vaker voor bepaalde oplossingen ‘kiest’ omdat deze oplossingen voordelen hebben die alternatieven niet hebben, bijvoorbeeld omdat ze beter bestand zijn tegen mutaties.”

Volop in ontwikkeling

Het interdisciplinaire karakter van het vakgebied van Ten Tusscher en haar collega’s is terug te zien in de achtergrond van studenten die bij de onderzoeksgroep stagelopen. Zo zijn er biologie-, wiskunde- en informaticastudenten, maar ook studenten met een achtergrond in natuurkunde. Het onderwijs van Ten Tusscher beperkt zich niet tot bachelorstudenten, ze laat ook (het belang van) computationele biologie zien tijdens mastercursussen van verschillende opleidingen of summer schools van bijvoorbeeld Complex Systems Studies.Maar Ten Tusscher hoopt dat nog meer studenten de mogelijkheden van computationele biologie zien. “Het is een interdisciplinair vakgebied en volop in ontwikkeling, experimenteel onderzoek en theoretische modellen hebben elkaar meer dan ooit nodig. Dus, een gebied om te studeren waar toekomst in zit.”