Dit zijn de wetenschappelijke doorbraken van het jaar

Laurien Onderwater

20-12-2021 15:43:35

Breakthrough

Het wetenschappelijke tijdschrift Science sluit 2021 af met de Breakthrough of the Year. AlphaFold, een kunstmatig intelligent systeem dat de 3D-vouwing van eiwitten kan voorspellen, valt dit jaar in de prijzen.

In 1972 ontving de Amerikaanse biochemicus Christian Anfinsen de Nobelprijs voor Scheikunde voor zijn onderzoek naar de volgorde van aminozuren (de bouwstenen van een eiwit) en hoe die bepalend is voor hoe het eiwit zich opvouwt. Toen hij de prestigieuze prijs in ontvangst nam, zei hij: “Op een dag zal het mogelijk zijn om de 3D-structuur van elk eiwit te voorspellen, louter op basis van de volgorde van de aminozuren”.

Bijna vijftig jaar later kreeg Anfinsen gelijk: eind vorig jaar toonden onderzoekers namelijk aan dat een algoritme heel nauwkeurig eiwitstructuren kan voorspellen. En dat onderzoek is nu door vakblad Science bekroond met de Breakthrough Prize.

AlphaFold voorspelt eiwitvouwing

Voorspellen hoe een keten van aminozuren zich zal vouwen tot een eiwit wordt een beetje als de heilige graal in de biologie beschouwd. Als op basis van de samenstelling van een eiwit de 3D-structuur correct kan worden voorspeld, kunnen onderzoekers namelijk uitvogelen wat die eiwitten doen, hoe ze in de knoop raken en zo aandoeningen als de ziekte van Parkinson veroorzaken.

Maar met twintig aminozuren om uit te ‘kiezen’, zijn er enorm veel manieren waarop een doorsnee eiwit zich kan vouwen. Deze kwestie staat al ruim vijftig jaar bekend als het eiwitvouwprobleem. Gelukkig helpt het kunstmatige intelligente systeem AlphaFold, onderdeel van Google’s DeepMind, wetenschappers uit de brand. Het heeft slechts een paar uur nodig om zo’n 3D-structuur te voorspellen.

Lees hier het hele artikel over AlphaFold.

Dit zijn de runners up volgens Science.

DNA uit de bodem

Paleontologen zijn gek op fossielen, en dan vooral op fossiel DNA dat alle informatie over een soort bevat. Dus uitspraken doen over een uitgestorven soort zónder fossielen ervan te hebben onderzocht? Dat klinkt als fraudeleus onderzoek. Toch is het wetenschappers van de Universiteit van Kopenhagen gelukt. Het onderzoeksteam reconstrueerde de volledige genetische code van onder andere een uitgestorven berensoort door DNA uit de bodem van de Mexicaanse Chiquihuite-grot – een geliefde plek onder archeologen en paleontologen – te bestuderen.

Als een dier poept of plast, scheidt het ook cellen uit die, onder de juiste omstandigheden, duizenden jaren kunnen overleven. In die cellen ligt DNA opgeslagen (ook wel environmental DNA geheten) in de mitochondriën – de centrales die onze cellen voorzien van energie. Mitochondriaal DNA bevat echter niet álle informatie over een organisme, daarvoor moet een wetenschapper DNA uit de celkern (nucleair DNA) bestuderen. Voorheen konden onderzoekers nooit nucleair DNA uit duizenden jaren oude cellen isoleren, maar dankzij nieuwe technieken is dat nu wel mogelijk.

bodemmonsters
Een onderzoeker registreert de locaties van de bodemmonsters in de Chiquihuite-grot. © Devlin A. Gandy

Zo werd dit jaar voor het eerst DNA in de bodem van grotten gevonden dat zich ooit in de kern van menselijke cellen bevond. Onderzoekers gebruikten de erfelijke informatie om de identiteit van grotbewoners over de hele wereld te reconstrueren.

Veelbelovende kernfusiestap gezet

De voordelen van kernfusie ten opzichte van kernsplitsing zijn duidelijk. Zo lijkt de energieproductie onbeperkt, is er geen uranium voor nodig, radioactief afval vormt een veel kleiner probleem, en een meltdown van de centrale is uitgesloten. En dus wordt er op diverse plekken al tientallen jaren gewerkt aan manieren om de zon op aarde na te bootsen.

Bij de Amerikaanse National Ignition Facility (NIF) proberen ze dat op kleine schaal te doen. Daar staan 192 krachtige lasers opgesteld die gebundeld uv-licht op een heel kleine fusiekamer, de hohlraum, in het midden mikken. In dat kamertje wordt een capsule (formaat peperkorrel) geplaatst die uit een mix van deuterium en tritium (beide isotopen van waterstof) bestaat. Vervolgens verhitten de lasers die capsule bij een gigantische druk.

In een capsule in de hohlraum bevindt
zich de fusiebrandstof. De binnenwand van
die kleine fusiekamer wordt beschenen met
gebundelde laserstralen (blauw).

De lasers – met een gezamenlijk vermogen van 500 miljard watt – vuren slechts een miljardste seconde, maar dat is genoeg om de temperatuur van de fusiebrandstof in de hohlraum op te laten lopen tot meer dan 3 miljoen graden Celsius. Daardoor ontstaan röntgenstralen die de buitenkant van de capsule laten smelten. Dit veroorzaakt een raketachtige implosie die de deuterium-tritium-brandstof tot extreme dichtheden samenperst en tot honderden miljoenen graden Celsius verhit. Het resultaat: de waterstofatomen uit de brandstof smelten samen tot alfadeeltjes (heliumkernen) en er komen hoogenergetische neutronen en andere vormen van energie vrij.

Het idee is dat die alfadeeltjes vervolgens meer fusiebrandstof verhitten, zodat er een zichzelf in stand houdende fusiereactie op gang wordt gebracht. En die zou dan meer energie moeten opleveren dan erin is gestopt. Dat lukte in 2014, toen de wetenschappers een ‘nettowinst’ van 100 kilojoule boekten. Maar de meest recente experimenten leverden maar liefst 1,3 megajoule op; acht keer meer dan een soortgelijke test die dit voorjaar plaatsvond.

National Ignition Facility (NIF) Breakthrough

Anti-coronapillen

Vorig jaar benoemde Science de snelle ontwikkeling van coronavaccins, shots of hope volgens het vakblad, de belangrijkste wetenschappelijke doorbraak. Dit jaar voegt een nieuwe speler zich bij de vaccins op het toneel: de coronapil. Zowel Merck als Pfizer hebben virusremmers ontwikkeld, en zouden al positieve resultaten hebben geboekt.

Het idee van zo’n coronapil is dat je een kuurtje slikt zodra je klachten hebt en positief bent getest. De pil zou een enzym blokkeren waardoor het coronavirus zich minder goed kan vermenigvuldigen in het lichaam. Toch zijn er nog een hoop onbeantwoorde vragen omtrent de geboekte resultaten. Ondanks die onzekerheden heeft het Europees Geneesmiddelenbureau (EMA) toestemming gegeven voor gebruik van de coronapil Paxlovid die Pfizer heeft ontwikkeld. Het middel zit nog in de procedure van definitieve goedkeuring, maar in afwachting daarvan mag het alvast worden ingezet, meldt de NOS.

coronapil
De coronapillen van Pfizer, Paxlovid geheten, in een Duitse fabriek. © EPA/PFIZER

MDMA tegen PTSS

Psychedelica zijn terug van weggeweest – maar dan als mogelijk therapiemiddel: mensen die bijvoorbeeld een posttraumatische stressstoornis (PTSS) hebben, lijken op te kikkeren van MDMA – de stof die verantwoordelijk is voor het euforische gevoel na xtc-gebruik.

MDMA zorgt voor een toename van dopamine, serotonine en oxytocine, stoffen die onze stemming regelen. Daardoor voelen gebruikers zich vaak vrolijker, extraverter, meer ontspannen en verbonden met anderen. In therapie kan het daarom PTSS-patiënten helpen om hun therapeut in vertrouwen te nemen. Mensen met PTSS vinden het namelijk vaak moeilijk om over hun trauma te praten omdat dat te overweldigend is, maar als MDMA de scherpe randjes van de negatieve emoties afzwakt, lukt het vaak wel.

Dat bevestigt een studie die eerder dit jaar in Nature Medicine is gepubliceerd. Onderzoekers wierven 76 deelnemers met PTSS die drie begeleide therapiesessies van 8 uur kregen met ofwel MDMA ofwel een placebo. Na 2 maanden voldeed 67 procent van degenen die MDMA had gekregen niet langer aan de diagnostische criteria voor PTSS, tegenover 32 procent in de placebogroep.

De resultaten moeten wel voorzichtig worden geïnterpreteerd, waarschuwen andere wetenschappers, omdat de groep die MDMA kreeg de invloeden van de drug voelden – ook al was hen van tevoren niet verteld welk middel ze kregen. Dat kan hun verwachtingen, en zelfs de kans dat ze beter worden, beïnvloeden.

Antilichamen uit het lab

Als een ziekteverwekker het lichaam binnentreedt, gaat het immuunsysteem er direct mee aan de haal. Het doet er alles aan om het virus of de bacterie te bestrijden én het zorgt ervoor dat je voorbereid bent voor een eventuele tweede besmetting. Je lichaam maakt namelijk antistoffen aan.

Maar in het lab kunnen tegenwoordig ook antistoffen worden gemaakt. Dankzij deze gefabriceerde monoklonale antilichamen kunnen artsen mensen met auto-immuunziekten behandelen. Ze werkten alleen nog niet optimaal tegen infectieziekten. Dat veranderde dit jaar toen monoklonale antilichamen hun intrede deden tegen onder andere SARS-CoV-2.

Monoklonale antistoffen lijken tot nu toe vooral geschikt voor patiënten die zelf nog geen antilichamen hebben tegen het coronavirus, zoals mensen met een verzwakt immuunsysteem. Als patiënten binnen een week na besmetting de monoklonale antistoffen krijgen toegediend, kan dit het risico op ziekenhuisopname verminderen.

Lees ook: Heeft inenting zin als je COVID-19 al hebt gehad?

Marsbevingen geven geheimen prijs

Op 18 september 2021 vierde NASA’s Marslander InSight zijn duizendste dag op de rode planeet. Blijdschap bij Marsonderzoekers: het jubileum werd namelijk extra bijzonder dankzij de meting van een van de krachtigste en langste Marsbevingen tot nu toe. Met een duur van anderhalf uur en een sterkte van 4,2 op de schaal van Richter was de beving vijfmaal krachtiger dan de vorige recordhouder.

Het speuren naar dit soort Marsbevingen is een van de redenen dat InSight op de rode planeet is. Aan de hand van de trillingen hoopt men het binnenste van Mars in beeld te brengen. En dat zou ons weer meer kunnen leren over hoe andere rotsachtige werelden, zoals onze eigen aarde en maan, ooit zijn gevormd.

Zo hielpen de metingen van deze en nog andere Marsbevingen om de diepten van de planeet in kaart te brengen. De bevingen onthulden dat de korst van Mars gelaagd is en minder dan 40 kilometer dik – dunner dan de continentale korst van de aarde. Die dunne schil zou Mars in staat hebben gesteld zijn eerste interne hitte snel af te geven.

Marsbevingen breakthrough
C. Bickel/Science

De meting is een meevaller. Begin dit jaar kreeg InSight namelijk nog een zware dobber te verduren. Een van de doelen van de lander was dieper in de Marsbodem graven dan voorgaande robots. Maar na twee jaar geploeter, lukte het niet om zijn warmtesonde in de Marskorst in te graven.

De NASA gooide de handdoek in de ring, maar schakelde InSight (gelukkig) niet uit. De andere instrumenten, zoals de seismometer, zouden immers nog interessante waarnemingen kunnen doen.  En zo bleek dus. De ruimtevaartorganisatie houdt de lander tot minstens eind 2022 in bedrijf.

CRISPR-Cas-behandeling continued

Vorig jaar kon je lezen hoe de DNA-bewerkingsmethode CRISPR-Cas twee patiënten met de erfelijke bloedziekten bèta-thalassemie en sikkelcelziekte heeft genezen. Artsen isoleerden uit hun beenmerg bloedstamcellen die tot elk type bloedcel konden uitgroeien. Die pasten ze met CRISPR-Cas op genetisch niveau aan. Vervolgens plaatsten ze de nieuwe, aangepaste bloedcellen terug.

De CRISPR-Cas-behandeling was dus uitgevoerd in het lab. Maar dit jaar zijn wetenschappers een stap verder gegaan door de DNA-bewerkingsmethode direct in het lichaam toe te passen. De eerste resultaten kunnen voorzichtig als hoopgevend worden gezien. Zo konden enkele patiënten met een erfelijke oogziekte na de behandeling meer licht waarnemen. Eén van hen durfde het zelfs aan een hindernisparcours af te leggen. In een andere kleine studie ontdeed de CRISPR-Cas-therapie mensen van een giftig levereiwit.

Artsen zouden met CRISPR-Cas nog veel meer ziekten kunnen behandelen, maar zo makkelijk gaat dat helaas niet. Voordat ze met de methode een specifiek gen kunnen corrigeren, moeten de componenten die daarvoor nodig zijn veilig en in de juiste hoeveelheden naar de juiste cellen worden getransporteerd. En dat is nog een hele uitdaging.

Muizenembryo’s onder de loep

In de Nederlandse Embryowet staat dat het niet is toegestaan om een eicel speciaal voor onderzoek met een zaadcel te bevruchten, dus zonder dat het ooit bedoeld is voor een zwangerschap. Het is dus geen wonder dat wetenschappers op zoek zijn naar een alternatief.

Dit jaar creëerden onderzoekers voor het eerst een embryomodel uit menselijke stamcellen. Het klompje cellen, dat lijkt op een blastocyst (structuur dat zo’n vijf dagen na bevruchting van een eicel ontstaat), biedt belangrijke mogelijkheden voor de ontwikkelingsbiologie.

Twee onafhankelijke onderzoeksteams boekten vrijwel gelijktijdig hetzelfde resultaat: het ontwikkelen van een menselijk embryomodel – blastoid genoemd. De eerste groep kweekte een blastocyst-achtige structuur door een bestaande stamcellijn met een mix van groeifactoren en remmers om te vormen tot zogeheten pluripotente stamcellen (cellen die zich nog tot bijna alles kunnen vormen). Het andere team herprogrammeerde menselijke huidcellen tot pluripotente stamcellen.

De blastoids zijn een goede uitkomst om makkelijker onderzoek te kunnen doen naar de humane ontwikkeling en de invloed van giftige stoffen hierop, maar ook naar de innesteling van embryo’s in de baarmoeder. Ook voor het onderzoek naar ivf-behandelingen zijn de structuren welkom.

Weer een andere onderzoeksgroep slaagde er begin dit jaar in om muizenembryo’s langer dan 3 dagen buiten het lichaam van de moedermuis te laten groeien. Het team had een ‘recept’ ontwikkeld waarmee ze die tijd tot 11 dagen op konden rekken. De muizenembryo’s ondergingen een belangrijke fase van cellulaire reorganisatie, organen ontwikkelden zich en de achterpoten ontsproten. Die extra paar dagen leveren dus heel veel nieuwe inzichten op.

Het eigenwijze muon

Al tientallen jaren staat het fier overeind, het standaardmodel van de deeltjesfysica. Elke meting die natuurkundigen doen strookt ermee. Tenminste… Bijna elke meting. De laatste jaren lijkt het er steeds meer op dat één deeltje zich minder aantrekt van dit theoretische bouwwerk dan de rest: het muon, een zwaardere kopie van het alomtegenwoordige elektron. Dit jaar publiceerden deeltjesfysici resultaten van een langlopend onderzoek die de bewering dat het muon afwijkt van het standaardmodel extra kracht bijzetten. Het scenario waarin het standaardmodel van de deeltjesfysica op de schop moet, lijkt hiermee steeds dichterbij te komen.

Lees ook: Muon houdt zich wéér niet aan de regels

Bronnen: Science, KIJK

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK! 



Podcast KIJK en luister via JUKE







Meer Nieuws

NIEUW!

De nieuwste editie van KIJK is nu verkrijgbaar