Op zoek naar het antwoord op een 150 jaar oud biologisch raadsel

Het begon als een doorsnee-overleg met een promovendus op het kantoor. “Hé, kijk hier eens naar”, zei Yosapol Harnvanichvech – de promovendus in kwestie – en drukte op de afspeelknop op zijn laptop. Op het scherm verscheen een video van een plantenembryo (een klompje cellen), dat door een supersmal kanaaltje geduwd werd. Het doel? Het embryo opbreken zodat die in losse cellen uiteen zou vallen. Maar in plaats daarvan rekte het klompje cellen zich uit om zich door de opening te proppen en eenmaal aan de andere kant plopte het weer terug in zijn originele, lolly-achtige vorm. “Wij wisten meteen: hier kunnen we wat mee”, zegt Dolf Weijers, hoogleraar biochemie. Compleet per toeval had de promovendus een manier ontwikkeld om heel gecontroleerd kracht uit te oefenen op een miniplant.

Dat planten reageren op kracht en aanraking beschreef Charles Darwin al in zijn boek ‘ThePower of Movement in Plants’ in 1880. Maar nu pas gaan wetenschappers die onzichtbare krachten in kaart te brengen. En daar is het hoog tijd voor, vindt mechanobioloog Joris Sprakel. “Er mist iets in de plantenbiologie,” stelt hij. Puur op basis van genen en biochemie kunnen biologen bijna correct voorspellen hoe een cel of plant groeit of zich gedraagt. Bijna. Want het klopt vaak nét niet. “Dat komt doordat cellen meer zijn dan een zak genen en biologische stofjes”, zegt Sprakel. “Ze leven in een fysieke wereld met buren die aan ze trekken en duwen.” Negeer je de kracht die zij op elkaar uitoefenen, dan kun je niet volledig begrijpen hoe planten werken, denkt Sprakel.

Toch weerhielden biologen zich lange tijd van onderzoek naar hoe zulke cellen de aanraking van hun buren en van de buitenwereld voelen en erop reageren. Zo ook Weijers. “Dat kwam omdat zulke krachten abstract zijn en we ze met geen mogelijkheid konden meten,” zegt hij. Daar kwam in 2018 verandering in, tijdens een toevallige ontmoeting van disciplines bij het symposium van het honderdste jubileum van WUR. “Ik zat in het publiek”, vertelt Weijers. Op het podium presenteerde Sprakel zelfgemaakte fluorescente moleculen, die van kleur veranderen als ze druk voelen. “Het ging in dit geval om krachten in kunststofmaterialen, maar het werd me meteen duidelijk dat dit een waardevolle tool zou zijn in de plantenbiologie”, aldus Weijers.

Wat Weijers niet wist, was dat Sprakel op dat moment in zijn carrière zoekende was. Hij werkte bij Physical Chemistry and Soft Matter aan synthetische materialen. “Het draait in het onderzoek naar synthetische materialen vaak om problemen oplossen, zoals verf duurzamer maken met meer water en minder oplosmiddelen. Ik miste daarin de “grotere” vragen waar ik me twintig jaar lang in vast zou kunnen bijten en was toe aan een nieuwe uitdaging”, vertelt Sprakel. Toen Dolf tijdens de receptie van het jubileum naar hem toestapte en een samenwerking voorstelde, hoefde hij er niet lang over na te denken. En dus gingen de twee aan het werk. De zelfgebouwde tool van Sprakel bouwden ze om tot krachtsensor die ook in levende plantencellen werkt.

Zo kwam het dat enkele jaren later promovendus Harnvanichvech een tool in handen had om kracht op plantencellen uit te oefenen én de kracht te meten. Hij identificeerde belangrijke eiwitten (bouwstoffen) in de plantencel die reageren op zo’n kracht. Een goede eerste indicatie dat krachten van buitenaf worden omgezet in een biochemisch signaal dat de cel begrijpt. Om de precieze werking uit te pluizen, besloten Weijers en Sprakel een onderzoeksvoorstel te schrijven. “Op een vrijdagochtend zijn we hier op kantoor samen gaan zitten en bedachten we een onderzoeksvoorstel puur vanuit de onderwerpen die wij gaaf vinden”, zegt Weijers. Binnen de kortste keren hadden ze het grote thema op papier: de tastzin van planten onderzoeken. “Maar ook de sub-onderwerpen, hoe die samen hingen en met welke onderzoekers we dit project wilden oppakken”, vertelt Weijers. “Toen we op de klok keken was er tot onze verbazing slechts één uur voorbij.”

Dat de twee duidelijk goed op elkaar zijn ingespeeld blijkt ook aan de manier waarop ze hun project op een laagdrempelige manier uit de doeken doen. Ze maken nog net niet elkaars zinnen af. “We zitten best vaak op dezelfde lijn”, beaamt Sprakel. Maar dat was niet altijd zo. “Bij onze eerste ontmoeting - jaren vóór het honderdste jubileum - waren we beslist geen fan van elkaar”, zegt hij lachend. Dat was tijdens een interview over hoe je topwetenschap neerzet. De twee waren het volledig met elkaar oneens. “Ik zei dat daar vooral veel geld voor nodig was, maar Dolf vond dat veel te plat”, herinnert Sprakel zich. “Hij beargumenteerde dat topwetenschap alleen mogelijk is door een academische sfeer te creëren met veel dialogen en interactie tussen onderzoekers met verschillende disciplines.”

Ondertussen heeft Sprakel zijn mening bijgesteld en ervaart hij dagelijks hoe waardevol interdisciplinaire samenwerkingen zijn. “Zonder geld kun je alsnog goede wetenschap doen, zonder academisch klimaat niet.” Bovendien kan het een tot het ander leiden. Juist door een interdisciplinaire aanpak, ontvangen de hoogleraren nu 22 miljoen euro voor hun onderzoek. Daarbij sluiten onder andere collega-plantwetenschappers uit Wageningen, Utrecht en Nijmegen aan, maar ook een experimenteel natuurkundige uit Amsterdam, materiaalkundigen uit Groningen en Eindhoven en theoretici uit Wageningen en Leiden. Voor de meeste onderzoekers in het consortium is de tastzin van planten een heel nieuw onderwerp. Toch waren ze stuk voor stuk enthousiast toen de Wageningse wetenschappers hen benaderden. “Dat enthousiasme was motiverend en bevestigde ons vertrouwen in het project.”

Met de toevallige ontdekking van promovendus Harnvanichvech om gecontroleerd op plantencellen te duwen, de speciale mechanische sensor van Sprakel en andere moderne tools kunnen onderzoekers nu eindelijk mechanica en natuurkundige krachten integreren in de biologie. De komende jaren gaan ze precies uitpluizen hoe dat werkt in allerlei plantensoorten. En als dat goed gaat? Dan kunnen wetenschappers met die kennis mogelijk planten beter helpen vechten tegen binnendringende ziekteverwekkers.