Breekpunt 1: De cel als robotfabriek

In hoofdstuk 3 probeert Peter aan de hand van een anecdote een beeld te schetsen van hoe de cel van binnen werkt. De analogie die hij daarvoor gebruikt is die van een robotfabriek, zoals visionair voorgesteld door Cor Boonstra, destijds directeur van Philips, met wie Peter dikke golfmaatjes is blijkbaar. Men zou bijna gaan vermoeden dat Peter gesponsord wordt door Philips...

In de robotfabriek van de toekomst zijn nagenoeg alle processen geautomatiseerd; elke robot heeft zijn eigen specifieke functie, en er zijn robots die deze robots maken, die op hun beurt weer door andere robots gemaakt worden en ga zo maar door. Als je het je even probeert voor te stellen lijkt Cor Boonstra's ideaal volledig onhaalbaar in elk geval op de korte termijn. Waarom? Om dat een fabriek waarin nagenoeg alle processen geautomatiseerd zijn veel te ingewikkeld is.

Veel te ingewikkeld wil zeggen dat er veel te veel schakels in het totale proces zijn, zodat er veel te veel manieren zijn waarop het mis kan gaan. Naarmate computers ingewikkelder zijn geworden is het aantal mogelijke problemen ermee ook verveelvoudigd. Dat alles nog steeds functioneert komt doordat men al lopende de betrouwbaarheid en stabiliteit van de componenten blijft verbeteren en steeds patches en andere oplossingen ontwerpt om er voor te zorgen dat alles soepel blijft lopen.

Waarom lijken technologische innovaties zo problematisch, terwijl we de ingewikkelde processen die in onze lichaamscellen verlopen voor lief nemen? Cellprocessen moeten fundamenteel anders zijn dan technische processen. Maar wat is het verschil dan? Zoals Peter laat zien gedragen celproteïnen zich op een logische, schijnbare geplande manier, als zouden ze een programma volgen. Maar is dat nu wel zo? Laten we Peter's 'haasje-over-eiwit', ofwel topo-isomerase, nog eens nader bekijken...

Zwaktepunt: Het 'haasje-over-eiwit'

Peter gaat uitgebreid in op zijn voorbeeld uit de ingewikkelde 'machinerie' van de cel, namelijk het eiwit 'topo-isomerase', dat hij voor de gelegenheid het 'haasje-over-eiwit' gedoopt heeft. Dit eiwit zorgt ervoor dat de lange DNA-strengen niet verdraaien of in elkaar verstrikt raken. Ogenschijnlijk lijkt dit eiwit zich te gedragen als een robot die gericht een bepaald programma doorloopt. Maar als we gaan kijken naar Peter's eigen illustratie van het proces, dan zien we dat de pijltjes tussen de individuele stappen twee kanten op wijzen. Dat is de scheikundige manier om aan te geven dat het een omkeerbare reactie is, dat wil zeggen dat de reactie allebei de kanten op kan, omdat er geen energie verbruikt wordt. Dus er is geen sprake van een gericht proces! Het ligt aan het toeval of het hele proces ook daadwerkelijk tot aan het einde toe volbracht wordt. Je kan dit nadoen door voor elke stap een dobbelsteen te gooien; bij een even aantal ogen ga je naar rechts en voor een oneven aantal ga je naar links. In slechts een aantal gevallen zal het hele proces doorlopen worden. Hoe kan zo'n ongericht proces nou effectief zijn? Nou, de eiwitmoleculen kunnen door toevallige botsingen tegen de juiste andere moleculen in werking treden. Hoe groter het aantal moleculen, hoe vaker er botsingen voorkomen. Als de concentratie aan eiwitten maar hoog genoeg zijn, is er voldoende mogelijkheid voor de eiwitten om effectief te zijn. Ook de warmte bepaalt het aantal botsingen, waarbij de optimale temperatuur meestal tussen de 37 en 40 graden Celsius ligt. Daarom bewaren we alles ook altijd in een koelkast. Doordat de celprocessen hierdoor langzamer gaan, groeien bacteriën en schimmels minder snel en bederft alles niet zo gauw. Het eiwit gedraagt zich dus niet als een machine, en valt daar ook niet goed mee te vergelijken. Een industriële robot bestaat o.a. uit beweegbare delen, pneumatische en andere onderdelen om die bewegingen aan te drijven, electronische verbindingen naar die onderdelen toe, en een ingebouwde computer om al die bewegingen te coördineren. Een eiwit is simpelweg een keten van bepaalde moleculen met verschillende chemische eigenschappen, dat in een bepaalde vorm opgerold is. Welbeschouwd is een robot dus veel ingewikkelder dan een eiwit (voor zover je de twee kan vergelijken dan). Een robot kan door zijn constructie gericht arbeid verrichten, een eiwit kan dat niet, daar is het te simpel voor, maar behaalt zijn effectiviteit door massaproductie naargelang de behoefte. Hoe meer er geproduceerd wordt, hoe groter de kans dat de eiwitten over het algemeen hun werk goed doen.

Het binnenste van een cel kan dus voorgesteld worden als een soort kolkende soep van moleculen, dat het cytoplasma wordt genoemd. In dit cytoplasma worden de processen bepaald door specifieke concentraties van verschillende eiwitten. Het voordeel van zo'n soep is dat alle moleculen tegen elkaar aanbotsen, zodat uiteindelijk de juiste eiwitten altijd wel op juiste plekken tegen de juiste doelwitten raken (in de juiste orientatie), zo lang de concentratie maar hoog genoeg is. De ongerichte functionaliteit van deze eiwitten wordt dus gecompenseerd door statistisch overwicht. Een heel andere zaak dan een geordende robotfabriek met gerichte processen uitgevoerd door robotten die elk een specifiek programma volgen.

Hierdoor is er ook een belangrijk verschil in flexibiliteit: Als er in de robotfabriek één robot uitvalt, dan kan er door een sneeuwbaleffect bijna alles in de soep lopen. Vergelijk het maar met lopende-band-werk: als er ergens langs de band iemand of iets een fout maakt, dan werkt zich dat in het hele proces door, omdat alle opeenvolgende acties niet of niet goed meer gedaan kunnen worden. In zulke gevallen moet er snel ingegrepen worden tot de zaken weer opgelapt zijn. Ook een computer kan meestal niet meer werken als één van de centrale onderdelen uitvalt of een horloge werkt niet meer als er één tandwieltje stuk is. Maar als je in een cel één individueel eiwit weghaalt gebeurt er niets. Haal er twee weg; er gebeurt nog steeds niets. Tien? Geen probleem. Je moet een behoorlijk aantal eiwitten weghalen voor er merkbare effecten optreden. Dat is het voordeel van de chemische flexibiliteit van het cytoplasma, met al die eiwitten en hun statistische effectiviteit. Een klap kan eenvoudigweg geabsorbeerd worden en verdwijnt dan in de 'bulk' van het gehele cytoplasma.

Regelmatig raken er eiwitten beschadigd door de vele botsingen met andere moleculen. Iets wat versterkt wordt bij hogere temperaturen, omdat er dan meer botsingen voorkomen. Uiteindelijk worden alle eiwitten afgebroken door bepaalde enzymen (een speciaal soort eiwitten) die deze tot gort kunnen snijden. Sommige eiwitten worden sneller afgebroken (vaak binnen een paar minuten) dan anderen (pas na uren, dagen of zelfs nog langer). Bij eiwitten bestemt voor snelle afbraak is het laatste aminozuur altijd een die elektrisch geladen is. Ook worden defecte eiwitten sneller afgebroken. Ondanks deze remmende dan wel versnellende factoren breken de enzymen in principe gewoon alle eiwitten af die ze tegenkomen. Op deze manier wordt er voor gezorgd dat er altijd voldoende functionele eiwitten zijn. Je kan het vergelijken met de stop uit een bad te trekken, terwijl de kraan aanstaat. Als het putje en daarmee de afvoer van het water maar klein genoeg is, dan blijft het waterniveau gelijk, terwijl er hele tijd vers water wordt aangevoerd.

Dat een cel dus wel tegen een stootje kan, komt niet zozeer door de 'betrouwbaarheid van de componenten' of dat het van sterk staal en stevig beton gemaakt is, maar door de stabiliteit van het chemisch evenwicht. Om deze reden kan je ook met gemak de celkern met een pipet uit een cel zuigen en vervolgens weer een andere kern er in terug spuiten. Bij computers zou dit neerkomen op het eruitrekken van het moederboord met een tang en vervolgens een ander willekeurig in de kast smijten en maar hopen dat alles goed op zijn plek komt. Bij de cel zoeken de componenten van de cytoplasmatische soep door hun chemische eigenschappen (en dus niet dankzij één of ander zelfherstelsysteem) elkaar weer op en vinden hun oorspronkelijk patroon weer terug.

Zelfs als er bij de aanmaak van een eiwit al iets mis is, waardoor er minder goed werkende exemplaren worden afgeleverd, kan de cel nog door blijven gaan, zij het minder optimaal. Dit zou het geval zijn bij mutaties in het gen dat voor zo'n eiwit codeert. Een verandering in de code van het gen kan een ander eiwit opleveren. Maar het veranderde eiwit kan evengoed werken, alleen niet zo effectief als het origineel. Mutaties komen om die reden veelal in gradaties voor, zodat je niet altijd kunt zeggen of het gen nou nog echt goed is of niet.

Conclusie:
De levende cel als robotfabriek is een misleidende analogie: Als je van te voren van een ontworpen proces uitgaat kan je natuurlijk niet aan de conclusie ontlopen dat er van een ontwerper sprake moet zijn. Het is echter een cirkelredenering . Veel eerlijker en objectiever zou het zijn om de cel en het DNA te nemen voor wat ze in werkelijkheid zijn: flexibele chemische complexen en niet mechanische systemen geleid door specifieke instructies. Omdat eiwitten in een cel in principe ongericht kontakt kunnen maken met alle moleculen in de soep van hun compartimentje, zijn de mogelijkheden veel groter dan in een robotfabriek waar robotten zich aan hun gerichte programma houden en zich verder afzijdig van andere processen houden. Ook kunnen celprocessen door hun cytoplasmatische flexibilixiteit van nature al veel beter tegen stootjes dan de fragiele samenhang van vele nauwkeurig op elkaar afgestelde mechanische processen.

Nu wil ik geenszins zeggen dat de cel eenvoudig is, of zelfs eenvoudiger dan een robotfabriek. De levende cel wordt geregeerd door vele honderden processen bepaald door duizenden soorten eiwitten. Bovendien voegt het lichaam waar deze cellen deel van uitmaken een dimensie toe tot in de vele tienduizenden, en voeg daar de ontwikkeling van dat lichaam toen en je komt bij de vele honderdduizenden. Dus het is zeker ongelooflijk complex. Waar het hier echter om gaat is of deze complexiteit niet gewoon het gevolg kan zijn van opeenstapeling over miljoenen jaren. Bijvoorbeeld met één euro-muntstuk kan je niet zo heel veel, maar als je er elk jaar één zou sparen zou je over een miljoen jaar miljonair zijn, als je zo lang in leven zou blijven, tenminste. Op gelijke wijze: als het mogelijk zou zijn aan eenvoudige processen geregeerd door een handjevol eiwitten steeds een beetje toe te voegen, dan kom je uiteindelijk toch uit op de complexiteit van het menselijk lichaam. Peter meent aangetoond te hebben dat dit onmogelijk is aan de hand van allerlei kansberekeningen en grafieken, en dergelijke, dus daar zullen we het nog over hebben...