De nieuwe zoektocht naar controle over de evolutie | Quanta-tijdschrift

Evolutie is een ingewikkeld iets. Een groot deel van de moderne evolutionaire biologie probeert de schijnbare willekeur van de krachten achter het proces – hoe mutaties bijvoorbeeld optreden – te verzoenen met de fundamentele principes die in de hele biosfeer van toepassing zijn. Generaties biologen hebben gehoopt de rijm van de evolutietheorie voldoende te kunnen begrijpen en redeneren om te kunnen voorspellen hoe het gebeurt.

Maar hoewel voorspellen een waardig doel blijft, concentreren wetenschappers zich nu op het veel ambitieuzere neefje: controle over hoe het gebeurt.

Dit klinkt misschien als sciencefiction, maar de grootste voorbeelden van dit streven leven in ons verleden. Denk eens aan het proces van kunstmatige selectie, een term bedacht door Charles Darwin: Duizenden jaren geleden begonnen mensen planten en dieren met voorkeurseigenschappen te identificeren en ze selectief te kweken, waardoor deze eigenschappen bij hun nakomelingen werden versterkt. Deze aanpak leverde ons landbouw op, een van de meest transformerende culturele uitvindingen in de menselijke geschiedenis. Later kunstmatige selectie bij dieren en planten hebben ons geholpen de genetica te begrijpen, en hoe genen in populaties evolueren. Maar hoe effectief het ook is, kunstmatige selectie is nog steeds vrij beperkt.

Dit verschilt van natuurlijke selectie, de kracht die adaptieve evolutie op aarde aandrijft, waar er geen opzettelijke actor is die de selectie uitvoert. De selecterende actor is geen menselijke fokker, maar de natuur zelf, die de varianten selecteert met de hoogste ‘fitheid’ – degenen met de grootste kans om te overleven en gezonde nakomelingen te produceren. En als de natuur het selectiewerk doet, kunnen de uitkomsten moeilijk te voorspellen zijn.

Nu hopen biologen te kunnen dicteren hoe de evolutie op moleculair niveau plaatsvindt, en evenveel directe controle over het voortplantingsproces uit te oefenen als wij dat doen bij gewassen. Kunnen we de evolutie orkestreren, mutatie na mutatie, in de richting van de uitkomst die we verkiezen? 

Opmerkelijk genoeg zijn we al halverwege. De 2018 Nobelprijs voor scheikunde erkend werk aan een methode genaamd gerichte evolutie, waarmee wetenschappers nieuwe biomoleculen kunnen ontwikkelen. Een van de winnaars, Frances Arnold, pionierde met een manier om eiwitten in het laboratorium te muteren en vervolgens hun functionaliteit te meten – bijvoorbeeld hoe goed een enzym suiker metaboliseert. Het is dan mogelijk om de eiwitkandidaten van interesse te isoleren, te muteren en verder te selecteren, totdat we een eiwit hebben gegenereerd met een verbeterde functie (in dit geval een enzym dat suiker zeer efficiënt metaboliseert). In die zin opereren scheikundigen als hondenfokkers, maar zonder afhankelijk te zijn van seksuele voortplanting om de eiwitnakomelingen te genereren. Integendeel, ze genereren een diverse populatie eiwitten en meten hun eigenschappen in slechts enkele uren. En door te selecteren wat ze willen, bepalen ze hoe de evolutie plaatsvindt.

Uit dit voorbeeld wordt duidelijk dat het beheersen van de evolutie – het naar bepaalde resultaten sturen – kennis vereist van hoe evolutie zal plaatsvinden, samen met de technologie om in te grijpen. We kunnen het probleem dus bekijken door de lens van een eenvoudige vergelijking: Controle = voorspelling + engineering.

Deze controle kan subtieler zijn dan de aanpak van Arnold. Een 2015 studie stelde voor om antibiotica in een bepaalde volgorde te gebruiken om de evolutie af te leiden van het creëren van antibioticaresistente ziekteverwekkers. En iets soortgelijks gebeurt bij de behandeling van kanker: oncologen proberen ons moleculaire inzicht in kanker te benutten kankercellen sturen in de richting van gevoeligheid voor bepaalde medicijnen. Dit is mogelijk omdat we weten dat wanneer een kankercel resistentie tegen één medicijn ontwikkelt, deze mogelijk gevoeliger wordt voor andere. Dit begrip van ‘onderpandgevoeligheid’ is gebaseerd op fundamentele principes van afwegingen in biologische systemen: over het algemeen bestaat er geen ‘gratis lunch’ in de evolutie, en aanpassing brengt vaak kosten met zich mee.

In recenter werk hebben wetenschappers deze benaderingen gegeneraliseerd. Met behulp van ideeën uit de kwantumfysica heeft een multidisciplinair team (waaronder artsen, computerwetenschappers en natuurkundigen) een methode toegepast ‘counterdiabatic drive’ genoemd, om bevolkingsgroepen in de richting van vooraf bepaalde doelen te brengen. Bijvoorbeeld infecties door sommige stammen van malariaparasieten zijn gemakkelijker te behandelen dan andere. Onderzoekers zouden kunnen proberen populaties van de parasieten naar de gemakkelijker behandelbare stammen te ‘drijven’.

Soortgelijke ideeën worden toegepast op andere systemen, zoals het microbioom, waar evolutiebiologen nu gerichte evolutie gebruiken om de microbiële gemeenschappen zoals degenen die op onze huid en in onze darmen leven. Om dit te doen, gebruiken ze kennis over hoe bepaalde microben met elkaar omgaan, samen met nieuwe microbiële technieken waarmee we microben kunnen introduceren in een populatie van andere microben. De hoop is dat we deze kennis kunnen gebruiken om op een dag de samenstelling van het microbioom te sturen naar een samenstelling die verband houdt met verbeterde gezondheidsresultaten.

Deze doorbraken tonen aan dat evolutionaire controle in een of andere vorm iets van het heden is, en niet van de toekomst. Maar de meeste succesvolle voorbeelden hebben plaatsgevonden in een klein aantal omgevingen: microben, microbiële gemeenschappen en eiwitten. En zelfs nog verder zijn de bestaande inspanningen gericht op controle over korte perioden – geen enkele redelijke wetenschapper beweert in staat te zijn de moleculaire evolutie te controleren die zich over decennia of eeuwen afspeelt (buiten de kunstmatige selectie die in de loop van millennia heeft plaatsgevonden). Ware controle over het evolutieproces blijft strikt beperkt door onze huidige kennis en hulpmiddelen.

Hoewel de technische uitdagingen van evolutionaire controle substantieel blijven, zijn de ethische barrières ook opmerkelijk. De problemen overlappen met die rond genetisch gemodificeerde organismen. Wanneer we een mutatie in een maïssoort creëren die het vermogen geeft om zelfs in stressvolle omgevingen te groeien, beïnvloeden we toekomstige generaties van die maïssoort. Verder, embryo selectie bij mensen kan lijken op kunstmatige selectie, waardoor we de mogelijkheid krijgen om de verschijning van menselijke eigenschappen in toekomstige populaties te sturen. Over het algemeen kunnen overijverige toepassingen van deze technologieën worden aangestuurd door een soort genetisch determinisme: de naïeve opvatting dat de betekenisvolle verschillen tussen organismen binnen een populatie (grotendeels) kunnen worden verklaard door hun genetische samenstelling.

Mochten we ooit op naïeve wijze proberen de evolutie van mensen en andere organismen over een langere tijdschaal te sturen, dan zouden we het slachtoffer worden van een soort evolutionair determinisme, dat inhoudt dat we volledige controle kunnen en moeten hebben over hoe het leven in de toekomst evolueert. Uiteindelijk zijn deze ambities misplaatst. Ze onderschatten de grillen van de biologische evolutie – de moeilijkheid om alle krachten te beschouwen die bepalen hoe het leven functioneert en bloeit. Sommigen denken misschien dat kunstmatige intelligentie deze onzekerheden kan helpen oplossen. Maar AI is geen wondermiddel tegen onwetendheid. Het is het meest effectief als we de grillen van het systeem dat we proberen te modelleren en voorspellen al begrijpen. De evolutionaire biologie voldoet niet helemaal aan deze norm – althans nog niet.

We kunnen (en moeten) tegelijkertijd de ambitie van de moderne biologie onder ogen zien en de tegenwoordigheid van geest hebben om onze grenzen te onderkennen. Bijvoorbeeld de eugenetica beweging suggereerde dat het menselijk ras verbeterd kon worden met behulp van het soort methoden dat ons gedomesticeerde dieren en gewassen opleverde. We begrijpen nu dat het zowel onverdraagzaam was als gebaseerd op slechte biologie. Voorbeelden als deze zijn waarschuwende verhalen, en ze zouden ons moeten leren dat onzorgvuldige pogingen om stormachtige krachten als de evolutie onder controle te krijgen, gedoemd zijn te mislukken.

Quanta voert een reeks onderzoeken uit om ons publiek beter van dienst te zijn. Neem onze lezersenquête biologie en je doet mee om gratis te winnen Quanta handelswaar.