David Schwartz wil miljarden experimenten tegelijkertijd doen. Dat kan alleen als je met individuele moleculen werkt. Schwartz ontwikkelt dan ook apparatuur om de sequentie van één enkel DNA-molecuul op te helderen.

“Het is mogelijk om binnen achttien maanden een machine te ontwikkelen die in enkele uren je genoom scant voor minder dan 100 dollar!” Aan het woord is David Schwartz (53), hoogleraar chemie en genetica aan de Universiteit van Wisconsin-Madison in de VS. Eerder dit jaar heeft het bedrijf 454 Life Sciences het genoom van Schwartz’ voorganger James Watson opgehelderd. Dat kostte bijna 1 miljoen dollar en twee maanden werk.

De uitspraak van Schwartz lijkt volslagen belachelijk. Maar dan heb je niet de twinkeling in zijn ogen gezien als hij over optical mapping praat. Hij is bezig een nieuwe sequentiemethode te ontwikkelen en is al een heel eind. Door een enkele DNA-streng op te knippen en de fragmenten te laten plakken op een geladen oppervlak is Schwartz in staat met geavanceerde optische technieken een ‘barcode’ van het DNA uit te lezen. Dat is slechts enkele stappen verwijderd van het bepalen van de basenpaarvolgorde.

De stelling van Schwartz wordt ook minder bizar als je weet dat hij de uitvinder is van pulsed field gel-elektroforese. Als promovendus bedacht hij dat de scheiding bij gel-elektroforese van DNA aanzienlijk is te verbeteren door te werken met twee elektrische velden loodrecht op elkaar. Door die omstebeurt aan te zetten, moet het door het veld uitgestrekte DNA zich volledig heroriënteren en dat gaat langzamer voor grote moleculen. Schwartz’ artikel over de techniek is inmiddels meer dan tweeduizend keer aangehaald. De techniek heeft in het prille stadium een bijdrage geleverd aan de genoomrevolutie.

Schwartz was betrokken bij veel grote sequentieprojecten (zie kader). Samen met Craig Venter helderde hij, met behulp van optical mapping, het genoom van de malariaparasiet op. Daardoor was het gebruik van PCR, elektroforese of klonen niet nodig.

De Amerikaanse hoogleraar is een grote fan van Europa sinds hij als 22-jarige hippie twee maanden door Europa heeft rondgezworven. Een gesprek met een energieke man die graag zijn eigen apparatuur bouwt.

Heb je er ooit aan gedacht om zelf pulsed field gel-elektroforeseapparatuur te gaan verkopen?

“Dat heb ik geprobeerd! Maar Columbia University wilde mij het octrooi niet meegeven. Het leek me toen, in 1983, mogelijk om in een commerciële setting bij zieke mensen genetische afwijkingen op te sporen. Een Wall Street-bankier was zelfs bereid 10 miljoen dollar in het project te stoppen. Uiteindelijk is het patent verkocht aan een Zweeds bedrijf. Ik heb toch mijn eigen apparaat maar gebouwd. Dat was knap lastig omdat ik mijn eigen octrooi moest zien te omzeilen, de octrooigemachtigde had de zaak goed dichtgetimmerd. De octrooien zullen inmiddels wel verlopen zijn, dus who cares? Het was voor mij een moeilijke tijd. Ik mocht van mijn begeleider niet meer op het lab komen. Dus ik zat vooral thuis te rommelen met een computer, rookte te veel sigaretten en did a bunch of half-ass theories.”

Je werk focust zich vooral op het meten aan individuele moleculen.

Wat is daar het voordeel van?

“Je kunt zelf je dataset samenstellen. Bij meting van een bulkeigenschap meet je een gemiddelde over ontzettend veel moleculen. Dan wil je natuurlijk dat gemiddelde uiteenrafelen om te zien hoe het is samengesteld. Door aan individuele moleculen te meten, bouw je zelf – een voor een – je statistisch ensemble op.

Het is ook de ultieme vorm van miniaturisatie. Kleiner kun je niet gaan. Als je miljoenen experimenten tegelijk wilt doen, doe je dat graag aan de kleinst mogelijke hoeveelheid stof en dat is een enkel molecuul.”

Hoe werkt optical mapping precies?

“Het is tamelijk eenvoudig. Het doel is high throughput genoomanalyse te doen. Niet op het niveau van de basenparen, maar eerder op genniveau. Neem een

DNA-molecuul, dat heeft een lengte van enkele honderden micro meters. Laat het hechten aan een positief geladen oppervlak. Bij het hechten zorgen stromingsprofielen voor het uitrekken van de ketens. Eenmaal op het oppervlak behandel je het DNA met restrictie-enzymen die de dubbele streng op specifieke plekken doorknippen. Dit geeft met fluorescentie een reproduceerbaar patroon.

We hebben het hele proces volledig geautomatiseerd met machinevisie en een eigen dataverwerkingsalgoritme, zodat we nu miljoenen moleculen per dag kunnen scannen. De dataverwerking is lastig omdat de enzymen slechts in, zeg 85 procent van de gevallen knippen en soms ook op de verkeerde plek. We gebruiken Bayestechnieken om de fouten te modelleren. Je doet een soort foutenmanagement door verschillende hypotheses over de uitkomst te testen. Maar het resultaat is een ‘plattegrond’ van iemands genoom.”

Hoe ver ben je verwijderd van optical sequencing?

“We hebben bewezen dat het kan, daar zijn net twee artikelen over gepubliceerd. Het principe is aangetoond: we hebben enkele basenparen gezien. We voegen DNA-polymerases en gelabelde nucleotiden toe en tellen hoeveel er worden ingebouwd. Maar ik ben de eerste om te zeggen dat het nog verre van praktisch is.

Er zijn nu zoveel goede bedrijven met miljoenen, honderden miljoen dollars in kas. We proberen samen te werken met instrumentfabrikanten om de techniek verder te ontwikkelen. Voor zoiets heb je echt veel kennis nodig om het goed te doen. In mijn lab werken biochemici, genetici, computerexperts, wiskundigen, werktuigbouwkundigen, moleculair biologen en informatici. In totaal 21 mensen.

We zijn nu bezig met nanocodering. Samen met Theo Odijk van de TU Delft is het ons gelukt DNA in groeven met nanoafmetingen te brengen. Dat maakt het mogelijk om nog makkelijker DNA uit te lezen.

Het moet lukken om voor minder dan 100 dollar je genetische opmaak te weten. Het hangt er helemaal van af hoeveel geld je in de ontwikkeling stopt. Met genoeg geld en de juiste mensen moet je dat in anderhalf jaar kunnen ontwikkelen. Dat geloof ik echt!”

Wat is de grootste hindernis op dit moment?

“Er is geen fundamentele barrière, alle kernproblemen zijn opgelost. Het is puur uitontwikkelen van de technologie tot een robuuste methode. Fouten terugbrengen en systeem bouwen. In het werk met Odijk, dat we in PNAS hebben gepubliceerd, laten we zien hoe je heel goedkoop nanokanalen kunt maken. We maken gebruik van ‘zachte’ lithografie. Je weet wel, wat Whitesides doet met zijn polymeerstempels. Achttien maanden kan echt! De dataverwerking is misschien nog wel het lastigst. Je wilt niet duizend computers twee maanden laten rekenen. De elektriciteitkosten zijn dan al meer dan 100 dollar.”

Je maakt gebruik van technieken uit de nanotechnologie. Waar zie je nanotechnologie naartoe gaan?

“Lab-on-a-chip vind ik helemaal niks. Dat is geen goed idee. Je neemt een probleem dat lastig is op laboratoriumschaal en probeert dat te verkleinen zonder dat het veel eenvoudiger wordt, het wordt eerder moeilijker. Je wilt juist eigenschappen op nanoschaal benutten, ga dus niks domweg verkleinen. Don’t shrink it!

Wat je ook doet op nanoschaal, chemie of natuurkunde, iets moet het molecuul waarmee je wilt werken aanreiken, presenteren als het ware. Moleculaire presentatie is essentieel. Dat vereenvoudigt metingen. Dus kun je heel veel metingen doen om je foutenmarge terug te brengen et cetera.

Het mooist zou zijn om nanosystemen met ingebouwde foutcorrectie te maken. Foutcorrectie maakt een systeem robuuster en betrouwbaarder.

Wat mij het meest interesseert is nanotechnologie gebruiken om miljarden experimenten tegelijkertijd te doen. De complexiteit is dan zo groot dat het systeem enige intelligentie moet bezitten om het voor mij nog overzichtelijk te houden. Het systeem zou op een of andere manier beslissingen moeten kunnen nemen. In de micro-elektronica heeft men dit deels opgelost door redundantie. Als een component het begeeft, nemen andere componenten het over. In de nanotechnologie zie ik van dit soort dingen nog niet genoeg terug. Begrijpelijk, want er zijn zóveel onderwerpen waar je je hoofd over kunt breken. We hebben onze neus nog niet genoeg gestoten.

Het hangt er ook van af wat je wilt dat je nanosysteem doet. Wil je dat het informatie opslaat? Moet het informatie onttrekken? Of gaat het puur om het materiaal? De laatste toepassing, als ding, gaat heel interessant worden met dynamische materialen, die zich aanpassen aan de omgeving. Een gewone tafel is zo gedetermineerd, zo saai.”

Hoe staat de wetenschap in Nederland op de kaart?

“Die is off the scale! Ik vind de wetenschap in Nederland buitengewoon indrukwekkend. Zeker gezien het geringe aantal inwoners. Ik bedoel dat oprecht. Als je terugkijkt naar Huygens, Van Leeuwenhoeck, Debye, Lorentz… Met Van Leeuwenhoeck kan ik mij het meest identificeren natuurlijk.”

Bedankt. Is er nog iets dat je kwijt wilt?

“Ja, er is een paradigmaverschuiving gaande. De vorige verschuiving was in de 13e eeuw toen Roger Bacon de empirische methode startte. Dat is een hele tijd geleden. Informatietechnologie geeft de mens nu de mogelijkheid om met een graad van complexiteit om te gaan die het menselijk bevattingsvermogen voorbijgaat. Dat vind ik waanzinnig spannend.” |

FEITELIJK

Seriële sequencer

David Schwartz was betrokken bij de opheldering van de genomen van:

Leishmania Major, Mol. Biochem.

Parasitol. 138: 97-106, 2004.

- - - - - - - - -

Thalassiosira Pseudonana, Science

306: 79-86, 2004.

- - - - - - - - -

E. Coli O157:H7, Nature 409: 529-533,

2001.

- - - - - - - - -

Het menselijk chromosoom 17, Nature

440: 1045-1049, 2006.

Bron: C2W15