Van Mendel tot Minecraft: de 200-jarige evolutie van de genetica
VIB onderzoekers over de nalatenschap van het werk van Gregor Mendel
20 juli 2022
In 1822 werd Gregor Mendel - de grondlegger van de genetica - geboren. In 1866 publiceerde hij ‘Experiments with plant hybrids’, een werk van 40 pagina's waarin hij de overdracht van kenmerken in erwt op hun nageslacht beschrijft. Hij had geen idee dat dit de basis zou worden van de moderne genetica. In het begin van de twintigste eeuw, na Mendel’s dood in 1884, werden zijn bevindingen herontdekt en groeide Mendels ‘wetten van de overerving’ uit tot de basis van de moderne biologie. Om zijn 200ste verjaardag te vieren blikken we terug en vooruit met VIB-wetenschappers Ive De Smet, Joren De Ryck en Matilde Sanches van het VIB-UGent Centrum voor Plantensysteembiologie en Seppe De Winter van het VIB-KU Leuven Centrum voor Hersenonderzoek.
Historische achtergrond
Gregor Mendel groeide op in een ondersteunend landbouwersgezin, waardoor hij een hogere opleiding kon volgen. Helaas verhinderden financiële problemen hem om zijn studie filosofie aan de universiteit van Olmütz af te ronden. Daarop besloot hij monnik te worden om zo zijn opleiding te betalen. Zijn leergierigheid, samen met zijn interesse in plantenteeltmethoden, bracht hem ertoe om hybridisatie in doperwten te bestuderen in het klooster in Brno (Tsjechië). Hij koos voor de nederige erwt omdat de planten gemakkelijk te kweken zijn, veel nakomelingen opleveren en een verscheidenheid aan waarneembare kenmerken bezitten.
Tijdens zijn experimenten kruiste hij ongeveer 28.000 planten. Een secuur klusje waarbij de mannelijke bloem met een schaar van de vrouwelijke ouderplant moet worden verwijderd – om zelfbestuiving te voorkomen – en vervolgens met een klein kwastje stuifmeel van de gewenste mannelijke ouderplant moet worden aangebracht. Uit zijn observaties leidde hij af dat plantkenmerken onafhankelijk worden overgedragen aan hun nageslacht, als alleenstaande 'factoren', volgens een bepaalde verhouding waarbij sommige kenmerken een grotere kans hebben om overgeërfd te worden – wat we nu kennen als dominante en recessieve eigenschappen.
Toen hij zijn bevindingen in 1866 publiceerde had dat weinig impact. Pas na zijn dood werd het belang van Mendels werk duidelijk. In 1900 reproduceerden Hugo De Vries, Carl Correns en Erich von Tschermak het werk van Gregor Mendel onafhankelijk van elkaar, wat leidde tot de formulering en popularisering van Mendels ‘wetten van de overerving’. Tot slot combineerde Ronald Fisher de Mendeliaanse genetica met Darwins theorie van natuurlijke selectie en schreef hij in 1930 The genetical theory of natural selection ' - een keerpunt voor de evolutionaire biologie dat nog steeds resoneert bij hedendaagse onderzoekers.
Mendel en Darwin voerden parallel baanbrekende genetische experimenten uit. Wat als ze hadden samengewerkt?
Ive: “Eigenlijk was Mendel op de hoogte van Darwins werk, maar Darwin wist niets van Mendels activiteiten. En dat terwijl Mendel duidelijk een leemte in Darwins theorie opvulde, namelijk een gebrek aan verklaring voor erfelijkheid.”
Joren: “Tijdgeest is hierbij een belangrijk aspect. De observaties van Mendel waren in tegenstelling tot de conventionele theorie in die tijd: gemengde overerving - het idee dat het nageslacht een 'gemiddelde' van de eigenschappen van de ouder krijgt. Charles Darwin zei dat hij twijfels had over de vermengingstheorie en hij deed zelf experimenten met erwtenplanten die erg leken op die van Mendel. Darwin kruiste twee ouderplanten met zeer verschillende kleuren en merkte op dat de nakomelingen ofwel de kleur van de eerste ouder of de tweede ouder hadden, maar nooit een mix van de twee. Deze bevindingen ondersteunden Darwins evolutietheorie verder, omdat gemengde overerving zou betekenen dat gunstige eigenschappen zouden zijn ‘weg gemixt’ lang voordat natuurlijke selectie kon plaatsvinden."
Ive: “Ze waren allebei geweldige geesten, met een uitstekend observatievermogen dat tot verbluffende conclusies leidde. Ze werkten allebei aan genetica, maar misten nog wat kennis – niet in het minst over DNA en het belang ervan. Mendel en Darwin hadden waarschijnlijk grotere sprongen kunnen maken als ze elkaar hadden gekend, net zoals Wallace Darwin ertoe aanzette zijn conclusies te publiceren."
Joren: “Stel je voor dat Darwins reizen hem naar Tsjechië hadden geleid en dat hij ergens in een taverne had gehoord over de gekke experimenten die een zekere abt genaamd Mendel deed in de abdij van Sint-Thomas. Darwin zou zeker geïntrigeerd zijn geweest en Mendel willen ontmoeten om zijn eigen waarnemingen bij erwtenplanten te bespreken. Mendel, die ook een enthousiaste imker was, zou gefascineerd zijn geweest door Darwins werk op de Galápagos eilanden. Samen zouden ze concluderen dat, net als planten, dieren en zelfs mensen dezelfde erfelijkheidswetten volgden, en hadden ze veel eerder op de term ‘genetica’ kunnen komen.”
Klinkt als een wetenschapscafé avant la lettre! Zou hun ontmoeting in de 19e eeuw een impact hebben op ons leven van vandaag?
Joren: “Of de ontmoeting tussen deze twee biologen ons dagelijks leven zou hebben beïnvloed, is onzeker, maar we kunnen er zeker van zijn dat de bevindingen van Mendel veel eerder de waardering zouden hebben gekregen die ze verdienden. Pas in de jaren dertig en veertig van de vorige eeuw werd Mendeliaanse genetica gecombineerd met Darwins theorie van natuurlijke selectie, wat leidde tot de evolutionaire biologie zoals we die nu kennen. Hun hypothetische ontmoeting zou zeker het veld van de evolutionaire biologie hebben versneld.”
Ive: “Daarop voortbouwend, met de kennis die we hebben opgedaan en nog steeds verwerven, zal synthetische biologie een revolutie teweegbrengen in de genetica. Met de uitdagingen waarmee de mensheid wordt geconfronteerd - klimaatverandering en voedselzekerheid om er maar een paar te noemen - zal het ontwikkelen van planten die aan onze behoeften kunnen voldoen met methoden die verder gaan dan klassieke genetica en veredeling, steeds belangrijker worden."
Matilde: “Ik kan me vinden in wat Ive zegt. Het vergroten van het potentieel van de plant om met omgevingsstress om te gaan wordt steeds belangrijker. In tegenstelling tot Mendel, die de overdracht van afzonderlijke genen bestudeerde, hebben we tegenwoordig een bredere, kwantitatieve genetica-aanpak nodig. Kenmerken zoals abiotische stresstolerantie worden vaak niet door één, maar door vele genomische regio's bepaald. We gebruiken momenteel een genoombrede associatiebenadering om te graven in waterstresstolerantie in graserwten, een naaste verwant van de tuinerwt die Mendel gebruikte!”
Ive De Smet, Joren De Ryck, Matilde Sanches, and Seppe De Winter
Genetici hebben tegenwoordig inderdaad toegang tot een uitgebreide toolbox, waaronder computermodellen en het introduceren van mutaties in hun favoriete modelsoorten, maar Mendel bestudeerde de 'natuurlijke manier' waarop eigenschappen worden overgedragen aan de volgende generatie. Veel eigenschappen worden niet geërfd volgens de wetten van Mendel. Had hij gewoon geluk met zijn bevindingen?
Joren: “Mendel koos zeven eigenschappen van erwtenplanten om te onderzoeken: planthoogte, bloempositie, bloemkleur, peulvorm en -kleur, en zaadvorm en -kleur – heel visueel en makkelijk te vergelijken. Mendel heeft zeker geluk gehad met deze eigenschappen, aangezien ze zich op een van de zeven erwtenchromosomen bevinden, wat betekent dat hun overerving ook veel eenvoudiger is dan wanneer je meerdere kopieën van een gen hebt.”
Ive: “Wetenschap is voor een groot deel gebaseerd op geluk in combinatie met slimme keuzes en hard werken. Door zijn keuze om met erwten te werken en zijn scherpe observatievermogen - en de tijd die hij als monnik had - kon hij zijn wetten formuleren. Zo werkte de Franse botanicus Antoine Duchesne (1747 – 1827) met aardbeien, waardoor de genetische complexiteit toenam, waardoor hij minder bekend werd bij een breder publiek.”
Joren: “Toch had Mendel soms veel minder geluk. Hij probeerde bijvoorbeeld zijn bevindingen van het erwtenexperiment met havikskruid te bevestigen, maar slaagde er niet in de resultaten te reproduceren omdat de eerste generatie havikskruid zeer variabel was en veel van hun nakomelingen identiek waren aan de moederplant. Pas later werd ontdekt dat havikskruid zaden produceert via een aseksueel proces, wat Mendels moeilijkheden verklaart.”
Tegenwoordig is Mendel alomtegenwoordig in de biologie en daarbuiten. Zelfs game-ontwikkelaars vinden inspiratie in zijn werk. Seppe is een van de onderzoekers van VIB die een genetisch computerspel ontwikkelde genaamd 'Mendelcraft'.
Seppe: “Mendelcraft is een mod voor Minecraft waarin kinderen tijdens het spelen van de game over Mendeliaanse genetica kunnen leren. Het spel bevat kippen met verschillende kenmerken, zoals verenkleur, grootte en bloedgroep. Om te onderzoeken hoe deze functies worden overgeërfd, kunnen spelers verschillende experimenten uitvoeren. Allereerst kunnen ze verschillende kippen kruisen die nakomelingen produceren die nieuwe kenmerken vertonen. Het kruisen van zwart-witte kippen levert bijvoorbeeld alleen grijze kippen op. Door grijze kippen met elkaar te kruisen, krijg je 50% grijze nakomelingen en 25% zwarte of witte nakomelingen, wat doet denken aan het patroon dat Mendel heeft waargenomen.”
"Nu weten we dat DNA de drager is van die kenmerken en dat de helft van het DNA van elke ouder komt, wat resulteert in specifieke patronen bij nakomelingen. In ons lab (Lab of Computational Biology, Stein Aerts) bestuderen we hoe het genoom codeert voor verschillende neuronale celtypes, dus het onderwerp ligt ons nauw aan het hart. In Mendelcraft kan het DNA van de kippen worden onderzocht door bloed af te nemen dat in het laboratorium kan worden geanalyseerd. Door het DNA nauwkeurig te onderzoeken, zal de speler een verband ontdekken tussen de DNA-sequentie zoals te zien in het laboratorium, en de verschillende kenmerken van de kippen. Spelers kunnen zelfs nog een stap verder gaan en het DNA aanpassen om genetisch gemanipuleerde kippen te kweken die hun favoriete kenmerken vertonen. Met de juiste combinatie van aanpassingen kan zelfs een dinosaurus worden gemaakt!”
Gamification is een geweldig middel om complexe theorieën uit te leggen en naar de wetenschappers van de toekomst te brengen.
Seppe: ”Elk jaar organiseren we een workshop aan de Kinderuniversiteit en op Dag van de Wetenschap waarin kinderen via Mendelcraft genetica kunnen verkennen. Dit jaar hebben we – samen met student computerwetenschappen Arne Loenders – Mendelcraft geüpdatet naar de nieuwste versie van Minecraft en de mogelijkheid toegevoegd om virtual reality te ondersteunen. Mendelcraft kan eenvoudig thuis worden geïnstalleerd en heeft een in-game handleiding/labboek. Hierdoor kunnen kinderen ook buiten de workshops van het spel genieten.”
“De experimenten die Mendel deed, zijn enerzijds vrij eenvoudig en goed na te bootsen in een game, maar anderzijds ook erg leerzaam en elegant. Door simpelweg verschillend gekleurde kippen te kruisen kan een kind de meest fundamentele aspecten van de biologie leren.”
Mendelcraft kan gratis worden gedownload en geïnstalleerd (als je een Minecraft-account hebt) van curseForge: https://www.curseforge.com/minecraft/mc-mods/mendelcraft