keerpunten in de natuurwetenschappen

Presentatie over: "keerpunten in de natuurwetenschappen"— Transcript van de presentatie:

1 keerpunten in de natuurwetenschappen
van ‘dode’ moleculen naar levende cellen de grote verwondering roel van driel Swammerdam Inst. voor Levenswetenschappen Universiteit van Amsterdam

2 is dit iets anders…? leven big bang elementaire deeltjes
sterrenstelsels is dit iets anders…? zonnestelsels atomen, moleculen aarde, ecologie leven evolutie keerpunten #2

3 menu denken over biologie kijken naar leven de levende cel
leven en dood de werkpaarden van de cel netwerken keerpunten #3

4 denken over biologie denken over leven...
keerpunten in de biologie denken over biologie denken over leven... keerpunten #4

5 hier gaat het over: ons zelf…
keerpunten #5

6 ...en de wereld om ons heen keerpunten #6

7 er is nog nooit zoveel belangstelling geweest voor biologie
waarom…? begrijpen wie we zijn een lang(er) leven remedie tegen al onze kwalen ons zelf ‘verbeteren’ controle over onze omgeving biomimetisch chemie, engineering, nanotechnologie, etc. kennis is macht, geld ... keerpunten #7

8 visie op levende materie
vitalisme stoffen in levende organismen zijn fundamenteel anders dan die in dode materie allereerste synthese van een natuurstof (ureum) door Friedrich Wöhler in WANNEER..? “I must tell you that I can prepare urea without requiring a kidney or an animal, either man or dog.” begin van de biochemie keerpunten #8

9 visie op levende materie tot ~1900
vitalisme stoffen in levende organismen zijn fundamenteel anders dan die in dode materie allereerste synthese van een natuurstof (ureum) door Friedrich Wöhler in 1828 “I must tell you that I can prepare urea without requiring a kidney or an animal, either man or dog.” begin van de biochemie keerpunten #9

10 visie op levende materie tot ~1900
vitalisme chemische reacties in levende materie heel anders dan in dode materie een ‘levenskracht’ Eduard Buchner (1897) extract van dode gistcellen kan glucose tot ethanol omzetten basis voor ontdekking van enzymen nobelprijs scheikunde 1907 keerpunten #10

11 generatio spontana experimenten lieten zien dat leven uit (schijnbaar) dode materie kan ontstaan bijv. uit een hooi-extract Louis Pasteur (~1860) geen generatio spontana na pasteurisatie "Never will the doctrine of spontaneous generation recover from the mortal blow of this simple experiment. No, there is now no circumstance known in which it can be affirmed that microscopic beings came into the world without germs, without parents similar to themselves." maar, wat te denken van het ontstaan van het leven...? keerpunten #11

12 visie op leve nu... ik voldoe aan alle natuurwetten
keerpunten #12

13 vragen kunnen we ‘leven’ begrijpen in termen van natuurwetten…?
wat is ‘begrijpen’ eigenlijk…? hoe is het leven ontstaan...? keerpunten #13

14 wat is ‘begrijpen’…? complex systeem begrijpen:
from: Lazebnik, Cancer Cell, 2003 begrijpen: kwantitatief en voorspellend model van systeem veel informatie, maar weinig begrip complex systeem keerpunten #14

15 is dit iets anders…? leven big bang elementaire deeltjes
sterrenstelsels is dit iets anders…? zonnestelsels atomen, moleculen aarde, ecologie leven evolutie keerpunten #15

16 biologische wetenschappen t.o.v. andere natuurwetenschappen
biologie weinig theorie weinig wetten weinig unificatie geen universele taal voor beschrijving van systemen extreem complexe systemen natuurkunde veel theorie wetten unificatie centraal universele taal gebaseerd op ‘first principles’ keerpunten #16

17 menu denken over leven kijken naar leven de levende cel leven en dood
de werkpaarden van de cel netwerken keerpunten #17

18 kijken naar leven afmetingen van cellen en moleculen
keerpunten in de biologie kijken naar leven afmetingen van cellen en moleculen keerpunten #18

19 afmetingen van cellen en moleculen stappen van 10
onvergroot 10 maal vergroot 100 maal 1.000 maal maal maal maal maal keerpunten #19

20 leven speelt zich af op microscopisch niveau
cellen meten in micrometers (m) 1 m = 10-6 meter 1 m = 1/1.000 mm menselijke cel: m bacterie: m moleculen meten in nanometers (nm) 1 nm = 10-9 meter 1 nm = 1/ mm macro-moleculen: eiwitten, DNA, RNA kleine moleculen: suikers, zouten, vetten keerpunten #20

21 het concept cel de eerste ‘cellen’ gezien door Hooke in 1665
dunne plakjes kurk eigenlijk de wanden van cellen die overbleven na hun afsterven keerpunten #21

22 kijken naar leven Van Leeuwenhoek’s microscoop tweede helft 17de eeuw
lensje Van Leeuwenhoek’s microscoop tweede helft 17de eeuw preparaathouder keerpunten #22

23 wat Van Leeuwenhoek zag in 1684
keerpunten #23

24 moderne microscopen electronenmicroscoop lichtmicroscoop
prijs Euro keerpunten #24

25 microscopie lichtmicroscopie 2D, 3D of 4D (=3D + tijd)
resolutie: ~200 nm met trucs: nu ~30 nm…! cellen en onderdelen van cellen electronenmicroscopie resolutie: ~1 nm grote moleculen aspecten van microscopie vergroting contrast interpretatie keerpunten #25

26 twee menselijke cellen
keerpunten #26

27 contrast, interpretatie en vergroting voorbeeld: de celkern
electronenmicroscopie van de kern van een menselijke cel contrast door binding van zware metaal ionen aan (onder andere) DNA lichtmicroscopie van de kern van een levende menselijke cel contrast door lichtgevend maken van het DNA keerpunten #27

28 menu denken over leven kijken naar leven de levende cel leven en dood
de werkpaarden van de cel netwerken keerpunten #28

29 de cel is de kleinste eenheid van leven
keerpunten in de biologie de cel is de kleinste eenheid van leven keerpunten #29

30 cellen in vele soorten en maten
zenuwcel keerpunten #30

31 twee soorten cellen ~1 m prokaryote cellen eukaryote cellen ~50 m
cellen zonder celkern bacteriën eencellig eukaryote cellen cellen met celkern planten, dieren, gisten, schimmels eencellig of meercellig ~50 m keerpunten #31

32 een bacterie-cel: ‘simpele’ interne structuur
twee compartimenten cytoplasma compact DNA cel omgeven door celmembraan sluit af van de buitenwereld celmembraan cytoplasma DNA keerpunten #32

33 structuur van eukaryote cellen is veel complexer
cytoplasma DNA celmembraan een plantecel keerpunten #33

34 een eukaryote cel: een kosmos in zichzelf
keerpunten #34

35 gekweekte huidcel (Muntjac)
blauw: celkern paars: cytoskelet van actine groen: membraan-systeem in de cel keerpunten #35

36 gekweekte huidcellen (muis)
cytoskelet van microtubili ~50 m keerpunten #36

37 wortel van Arabidopsis thaliana (zandraket)
delende plantecel wortel van Arabidopsis thaliana (zandraket) cytoskelet van microtubili keerpunten #37 ~30 m

38 het is vol in een cel keerpunten #38

39 keerpunten #39

40 cellen kunnen het eeuwige leven hebben
bijvoorbeeld bacteriën delen onbeperkt aantal malen niet: onze eigen cellen beperkt aantal celdelingen wel: onze tumorcellen veel gebruikte tumorcellijn: HeLa HeLa cellen cervix tumor cellen gekweekt in de hele wereld van Henrietta Lacks cervix biopsie overleden aan baarmoederhals kanker 1951 31 jaar oud, Baltimore keerpunten #40

41 menu denken over leven kijken naar leven de levende cel leven en dood
de werkpaarden van de cel netwerken keerpunten #41

42 levende vs. dode materie
keerpunten in de biologie levende vs. dode materie keerpunten #42

43 wat is leven…? je herkent ‘leven’ als je het ziet (meestal) kenmerken
plant zich voort past zich aan buitenwereld aan voedingstoffen omzetten in voor de cel nuttige verbindingen voedingsstoffen omzetten in bruikbare vormen van energie homeostase, robuustheid etc. geen strikte definitie mogelijk keerpunten #43

44 leven: één succesvolle basisformule
moleculair lijken wij heel veel op alle andere levende organismen dieren, planten, gisten, schimmels, bacteriën, etc. keerpunten #44

45 leven: één succesvolle basisformule
zelfde basis-principes voor alle(!) levende organismen op aarde genetische informatie altijd in DNA (of RNA) opgeslagen zelfde genetische code zelfde eiwitten/enzymen doen het werk zelfde basisprincipes van de organisatie van de cel etcetera keerpunten #45

46 evolutionaire verwantschap
~3,5 miljard jaar evolutie keerpunten #46

47 studie van levende materie
biochemie, celbiologie, moleculaire biologie, microbiologie, etc. analyse levensprocessen op moleculair niveau hoe werkt ‘leven’…? samenspel van moleculen interacties en chemische reacties gewone fysica en chemie simpel en toch ingewikkeld…! echt begrijpen van ‘Leven’ wordt mogelijk consequenties…? keerpunten #47

48 moleculaire basis van leven simpel en toch complex
in een cel relatief simpele chemie en fysica...! maar...! heel veel verschillende moleculen samenspel van heel veel chemische reacties en fysische processen precies gereguleerd in tijd en ruimte keerpunten #48

49 levende versus dode materie…
wat onderscheidt levende cellen/organismen van dode materie? zelfde natuurwetten...! kenmerken van leven…? voortplanting robuustheid, homeostase aanpassen aan veranderingen in de buitenwereld energie uit voedingstoffen orde uit chaos in tijd en ruimte tijdens de evolutie zijn bijzondere oplossingen gevonden heel verrassende chemie en fysica zeewier (Fucus) keerpunten #49

50 is Leven in strijd met de tweede hoofdwet…?
tweede hoofdwet van de thermodynamica elk systeem verandert spontaan van een toestand van lagere waarschijnlijkheid naar een toestand van hogere waarschijnlijkheid keerpunten #50

51 het begrip ‘waarschijnlijkheid van een toestand’
basis begrip de kans dat een systeem spontaan geordend wordt is extreem klein tweede hoofdwet thermodynamica elk systeem verandert spontaan van een toestand van lagere waarschijnlijkheid naar een toestand van hogere waarschijnlijkheid keerpunten #51

52 keerpunten #52

53 de cel en de tweede hoofdwet…
cel is in staat moleculen te ordenen verandert toestand van hoge waarschijnlijkheid in een toestand van lagere waarschijnlijkheid nodig is (vrije) energie uit voedsel uit zonlicht cel moet chaos in heelal (=buitenwereld) vergroten afgeven van warmte tweede hoofdwet thermodynamica elk systeem verandert spontaan van een toestand van lagere waarschijnlijkheid naar een toestand van hogere waarschijnlijkheid keerpunten #53

54 leven en dood: leven kan zich fabelachtige aanpassen aan omgeving
Rothschild and Mancinelli, Nature 409,1092 (2001) leven in hete bronnen in Yellowstone National Park temperatuur die leven toelaat...? wat is hoogste en laagste keerpunten #54

55 levende organismen kunnen bestaan tussen -20 en +120 oC
Rothschild and Mancinelli, Nature 409,1092 (2001) keerpunten #55

56 menu denken over leven kijken naar leven de levende cel leven en dood
de werkpaarden van de cel netwerken keerpunten #56

57 eiwitten de werkpaarden van de cel
keerpunten in de biologie eiwitten de werkpaarden van de cel keerpunten #57

58 deel van het eiwit hemoglobine
grijs: C-atoom blauw: N-atoom rood: O-atoom keerpunten #58

59 eiwitstructuur database en viewer
Brookhaven database duizenden 3D structuren van biomacromoleculen RASMOL: eenvoudige viewer voor eiwitstructuren download structuren in PDB format keerpunten #59

60 macromoleculen: de sleutel tot leven
energie-opslag koolhydraten onze werkpaarden eiwitten informatie-opslag DNA en RNA simpele onvertakte ketens van eenvoudige chemische bouwstenen...! keerpunten #60

61 eiwitten kunnen bijna alles
elk van onze genen bevat de informatie voor één bepaald eiwit hierarchie tussen genen en eiwitten...? keerpunten #61

62 wat maakt eiwitten zo bijzonder
heel breed scala van functies specificiteit heel precies herkennen, binden en chemisch veranderen van andere moleculen elk eiwit is lange onvertakte keten van aminozuren keerpunten #62

63 eiwitten zijn grote moleculen met nanometer afmetingen
cellen meten in micrometers (m) 1 m = 10-6 meter 1 m = 1/1.000 mm menselijke cel: m bacterie: m moleculen meten in nanometers (nm) 1 nm = 10-9 meter 1 nm = 1/ mm macro-moleculen: eiwitten, DNA, RNA kleine moleculen: suikers, zouten, vetten keerpunten #63

64 eiwitten zijn lineaire keten van aminozuren
alle eiwitten in levende organismen opgebouwd uit dezelfde aminozuren er zijn maar 20 verschillende aminozuren verschillen alleen in zijketen aminozuren zijn simpele chemische verbindingen keerpunten #64

65 een kort eiwit van 4 aminozuren
een ruggegraat van C en N atomen vier zijketens grotere eiwitten precies zo eiwitten kunnen van tientallen tot vele duizenden aminozuren lang zijn simpele lineaire structuur...! keerpunten #65

66 eiwitten in alle maten eiwitten kunnen van enkele tientallen tot vele duizenden aminozuren lang zijn onvertakte keten van aminozuren insuline: 51 az hormoon titin: ~ az lang elastisch spier-eiwit keerpunten #66

67 eiwitten zijn simpel twee soorten zijketens van aminozuren
hydrofiel (blauw) graag in contact met water hydrofoob (groen) contact met water ongewenst geheim van eiwitten zit ‘m in de ruimtelijke opvouwing van de keten...! keerpunten #67

68 opvouwing van de keten van aminozuurketen
zo veel mogelijk hydrofobe (non-polaire) aminozuur-zijketens niet in contact met water zo veel mogelijk hydrofiele (polaire) aminozuur-zijketens wel in contact met water keerpunten #68

69 opvouwing van de keten van aminozuurketen
elk eiwit wordt anders opgevouwen aminozuurvolgorde bepaalt opvouwing opvouwing bepaalt eigenschappen chaperone eiwitten helpen opvouwen te complex om uit te rekenen...! dus: aminozuurvolgorde bepaalt functie van eiwit...! keerpunten #69

70 een correct opgevouwen eiwit kan zijn functies uitoefenen
door opvouwing onstaat chemisch reactief centrum op oppervlak van eiwit eiwit kan ander molecuul herkennen en binden specificiteit...! voorbeelden een specifiek hormoon in het bloed binden een specifieke stof chemisch veranderden een complex vormen met een specifiek ander eiwitmolecuul keerpunten #70

71 eiwitten binden andere moleculen via veel zwakke precies passende interacties
specificiteit precies pas affiniteit veel zwakke bindingen maken samen iets sterks keerpunten #71

72 enzymen: de droom van elke chemicus
enzymen zijn eiwitten die chemische verandering katalyseren selectiviteit...! specificiteit...! reactief centrum op eiwit-oppervlak heel andere chemische omgeving dan in een reageerbuis...! als opvouwing verandert: verlies van functie keerpunten #72

73 heel veel eiwitten mogelijk met 20 aminozuren
keten van N aminozuren 20 N mogelijkheden N = 100 aminozuren 1,26 x mogelijkheden de natuur gebruikt maar een minieme fractie van wat mogelijk is elke aminozuursequentie geeft een andere 3D opvouwing dus een andere functie keerpunten #73

74 eiwitten kunnen (bijna) alles
keerpunten #74

75 geen leven zonder water
eiwitten functioneren alleen in waterig milieu zonder water vouwen onze eiwitten zich niet correct op...! keerpunten #75

76 water is het belangrijkste onderdeel van cellen
keerpunten #76

77 röntgendiffractie aan kristallen van eiwitten
keerpunten #77