Frances Arnold laat evolutie het werk doen: ‘Je kunt veertig jaar proberen enzymen te ontwerpen, maar de natuur wéét hoe je iets moet ontwerpen’

2 dagen geleden 4

Amper tien uur in de ochtend, en Frances Arnold heeft er al twee uur praten over evolutie opzitten als ze monter een restaurantje op Schiphol binnenwandelt. „Wat een geweldig toeval!” begint ze meteen. „Ik bleek tegelijkertijd met mede-Nobelprijswinnaar Svante Pääbo [de Zweedse grondlegger van de paleogenetica die in 2022 de Nobelprijs won] in Groningen te zijn, en we hebben straks dezelfde vlucht! We zijn daarom samen hiernaartoe gereden en hebben de hele tijd kunnen kletsen over de oorsprong van mensen, over neanderthaler-dna, over de migratie vanuit Afrika, ongelooflijk fascinerend.”

Arnold was de avond voordat we elkaar spreken op de Rijksuniversiteit Groningen om er de Prof. H.J. Backerlezing te geven en is al drie weken onderweg, als we haar treffen op de luchthaven. Vermoeid, ja, maar alleen fysiek. Intellectueel lijkt Arnold (69) moeilijk klein te krijgen. „Zolang het publiek geïnteresseerd is in evolutie, in waar we vandaan komen, en waar we naartoe gaan, dan blijf ik het ook leuk vinden. In Groningen heb ik een volle drie kwartier vragen beantwoord, zo nieuwsgierig waren ze. Dan is het geen werk, maar gewoon het uitwisselen van ideeën en informatie.”

Ze is ingenieur, blijft ze benadrukken („Ik maak dingen”), maar in 2018 won ze de Nobelprijs voor Scheikunde voor haar werk op het gebied van gerichte evolutie. Zij bedacht dat je enzymen als het ware kunt aanmoedigen om zich aan te passen, tot ze doen wat je wilt dat ze doen. Die prijs veranderde haar leven. Ze hield er banen aan over en kan dankzij die prijs de wereld over om te praten over haar passie. „Ik lag te slapen in een hotel in Texas”, vertelt ze over het telefoontje uit Zweden, „en ik wist dat ik te onbekend was om een grap met me uit te halen dus ik geloofde het meteen. Veel bekende personages worden vaak voor de grap opgebeld.” Haar ogen glimmen. „Vind je dat naar? Och, we verdienen het allemaal weleens om een beetje geplaagd te worden vind ik. Ik heb het nooit gedaan hoor, maar ik plaag wel graag.”

https://www.youtube.com/embed/6hOZ5e0g9Uo

Enzymen, eiwitten die bestaan uit een kralenketting van tientallen tot duizenden aminozuren, zijn de startkabels van de natuur die chemische reacties in levende organismen versnellen of vergemakkelijken. Zonder enzymen geen spijsvertering of stofwisseling, maar ze doen ook nuttig werk in wasmiddelen, biobrandstoffen en in een heleboel levensmiddelen. Enzymen kunnen nóg nuttiger werk doen door ze aan te passen: ze sneller laten werken, in een andere oplossing dan ze gewend zijn, of op een lagere temperatuur. Dit gebeurde al lang voordat Arnold zich er halverwege de jaren tachtig op toelegde, maar op een andere manier. Bio-ingenieurs probeerden enzymen te ontwerpen, ze te herprogrammeren.

Maar enzymen zijn ingewikkeld. De aanpak van Arnold was daarom om evolutie een deel van het werk te laten overnemen. Het werkt als volgt: willekeurige stukjes van het dna van een enzym worden aangepast, en de verschillende versies worden geplaatst in een bacterie. Die bacteriën ‘testen’ het enzym als het ware, door het te reproduceren. De onderzoekers kunnen vervolgens zien welke aangepaste enzymen beter werken dan het origineel. Het dna hoeft dus niet helemaal gemaakt te worden, dat doet de natuur. Je past het een klein beetje aan en ziet wat ermee gebeurt. Je geeft de natuur een duwtje in de goede richting.

„Ik zeg altijd: een enzym is zoals een symfonie van Beethoven, en ik speel kazoo”, lacht Arnold. „Ik weet niet wat de regels zijn voor het componeren van dna. Je kunt het lezen, je kunt het aanpassen, maar zelf de code van het leven schrijven kunnen we niet. Dus je kunt veertig jaar achter een bureau gaan zitten en proberen iets te ontwerpen, maar evolutie wéét hoe je iets moet ontwerpen. Je kunt het beter aan de natuur overlaten.”

Werkt ze samen met de natuur, of laat ze de natuur voor haar werken? „Allebei. De natuur is verreweg de beste ingenieur die er is, van moleculen tot hele ecosystemen. De natuur is ook de beste scheikundige, ze kan alles maken. De natuur kan het ’t beste en haar ontwerpproces heet evolutie. Ik gebruik de processen van de natuur om iets nieuws te maken. De scheikunde waar de natuur misschien geen brood in ziet, maar die voor ons heel nuttig kan zijn.”

Arnold weet dus eigenlijk niet precies hóé het werkt. Evolutie is een black box, de natuur kiest de route. „Dat is zeer onbevredigend voor veel wetenschappers. Die willen weten of ik niet benieuwd ben wat er nu precies gebeurt. En ik zeg: ja natuurlijk, maar het is ontzettend moeilijk om daarachter te komen. Je kunt het proces niet terugdraaien om te checken wat er is gebeurd. Stel je hebt een Franse bulldog, die heeft allerlei eigenschappen waarvan je niet weet waarom die ze heeft. Waarom zijn ze zo lief? Hoe zorgt het ervoor dat mensen van ze houden? Mensen hebben ze gemaakt, maar we weten niet precies hoe al die eigenschappen zijn ontstaan.”

Arnolds werk is terug te vinden in wasmiddelen en vaatwastabletjes, waarin aangepaste enzymen bij veel lagere temperaturen vet en vuil kunnen afbreken dan ze van nature zouden doen. Sommige medicijnen werken beter met aangepaste enzymen, zoals middelen tegen diabetes die helpen meer insuline aan te maken door veel selectiever werkende enzymen die minder afvalstoffen achterlaten. En over afval gesproken: gerichte evolutie is ook gebruikt om enzymen zover te krijgen dat ze cellulose uit plantaardig afval in biobrandstof kunnen omzetten. Die doorgeëvolueerde enzymen zitten in je kaas, in de petflessen, in pesticiden, in parfum en in de tests die volop werden gebruikt ten tijde van de coronacrisis.

Dat noemt ze nog gewoon engineering: iets naar je hand zetten, ook al is het materiaal biologisch. En dat past bij Arnold, die haar leven naar haar hand moest zetten, ook al is dat niet makkelijk geweest. Ze was de derde van vijf kinderen, geboren in Pittsburgh in 1956, en verliet het huis al vijftien jaar later – ze wilde zich afzetten tegen haar ouders. Een slimme leerling, maar verveeld. Ze liftte naar Washington om er tegen de Vietnamoorlog te protesteren, serveerde drankjes in een jazzclub, verkocht pizza’s en zat achter het stuur van een taxi in Pittsburgh om haar huur te kunnen betalen.

Zonder veel schoolervaring maar dankzij sterke toelatingstests kwam ze toch de universiteit van Princeton binnen en behaalde een graad in luchtvaarttechniek. Daarmee kon ze aan de slag in de net ontluikende zonne-energie-industrie en werkte in Zuid-Korea en Brazilië. „Er stonden in 1979 lange rijen voor de benzinepompen, het land lag plat vanwege de politieke onrust in het Midden-Oosten. Maar presidentskandidaat Ronald Reagan maakte duidelijk dat er wat hem betreft weinig toekomst in alternatieve energie zat.” Ze grijnst veelbetekenend. „Hmmm, sounds familiar?” Het leek haar dat zonne-energie, een ontluikende industrie, daar juist een oplossing voor zou kunnen zijn. We kijken samen naar buiten, waar we de taxiënde vliegtuigen af en aan zien gaan. „Er is wel wat veranderd hoor, er is veel zonne- en windenergie. Maar we zijn nog steeds afhankelijk van olie.” Ze ging terug naar school en haalde een graad in chemische technologie aan de universiteit van Berkeley: een pad dat haar uiteindelijk de Nobelprijs opleverde.

Parallel aan haar carrière werd haar privéleven getekend door verlies. Haar eerste man, James Bailey, overleed in 2001 aan kanker. In 2010 verloor ze haar partner Andrew Lange, een prominent astrofysicus die zijn eigen leven nam. En in 2016 overleed haar zoon William bij een ongeluk. Zelf genas Arnold in 2005 van borstkanker. Ze heeft haar portie leed en verlies wel gehad.

„Ja, maar ik deel dat met alle mensen op de planeet denk ik. Ik word deze zomer zeventig en als je die leeftijd bereikt, dan heb je ongetwijfeld verlies meegemaakt. We verliezen allemaal onze ouders, geliefden en soms zelfs onze kinderen.” Als ze zich naar voelt, vertelt ze, probeert ze die negatieve energie in iets positiefs om te zetten en dat is toch vaak werk. „Ik lees wetenschappelijk werk van anderen, of ik spendeer tijd met studenten. Dat helpt.”

Werk is haar leven en het brengt haar rust, geen stress. „Ik hou van uitdagingen, daar krijg ik energie van. Ik krijg stress van mensen, veel meer dan van wetenschap. Ik ben moeder, oma, ik maak me altijd zorgen om mijn familie en vrienden, en om wat er gebeurt met ons land, met de politieke situatie.”

Arnold zat enkele jaren dicht op het vuur. Ze was onder president Joe Biden co-voorzitter van de President’s Council of Advisors on Science and Technology, de directe wetenschappelijke adviseurs van de Amerikaanse president. Bij haar aanstelling in 2021 zei ze de rol van wetenschap bij het maken van beleid te willen terugbrengen, en het vertrouwen van het Amerikaanse volk in wetenschap te willen herstellen. Wat is daarvan over tijdens de tweede termijn van Donald Trump? „Ik ben teleurgesteld in hoe het huidige Witte Huis naar wetenschap kijkt. Mijn opvolger is een investeerder, geen wetenschapper. Hij is bezig met AI en cryptovaluta. De hele raad die net vorige maand is aangesteld bestaat uit mensen uit de technologiesector. Mark Zuckerberg van Meta, Sergey Brin van Google, allemaal hele slimme mensen, maar het dekt niet de breedte van de wetenschap. Wij hadden klimaatwetenschappers, gezondheidszorgexperts, mensen uit de industrie, uit de scheikunde, allemaal expertise die je in een moderne samenleving nodig hebt in die raad.”

Ze ziet met lede ogen aan hoe het wetenschappelijke klimaat in de VS achteruit kachelt. De president wil graag meer bezuinigen en dat heeft invloed op subsidies. „Dat is voor mij niet zo erg, wat gaan ze doen? Mijn fondsen afnemen? Ga ik met pensioen, prima. Maar jonge wetenschappers maken zich grote zorgen. Velen vertrekken naar Europa, naar China, naar andere plekken die ze een paar jaar geleden niet zouden hebben overwogen. Daar zijn ze er blij mee, want het zijn de besten van de besten. Maar onze universiteiten, my goodness… hun open beleid, de wetenschappelijke uitwisseling, de internationale samenwerkingen, dat wordt allemaal ontmanteld. Ons kroonjuweel. Ze doden de gans die de gouden eieren legt.”

Zeker in het conservatieve deel van Amerika zijn er mensen die haar werk te veel vinden lijken op spelen met de schepping. „Ik wijs dan op de enzymen in wasmiddelen, die zijn allemaal gemaakt met gerichte evolutie. En ik leg uit dat we de hele tijd evolutie richting geven. Je kiest immers met wie je kinderen wil, je kiest antibacteriële zeep, en je hebt liever die Franse bulldog dan een wolf in huis.”

Het werk van God, zeggen sommigen dan. „Maar dat is het niet. Of ik bedoel, dat hebben we altijd gedaan. We zetten al duizenden jaren de natuur naar onze hand. Een bulldog zou in de natuur worden opgegeten, dat klopt biologisch niet, maar ze vervullen voor ons een rol. En dat kun je ook op moleculair niveau doen om enzymen te krijgen die in de natuur niet bestaan, maar erg nuttig zijn voor mensen. Ik maak de Franse bulldogs van de enzymenwereld.”

Met enzymen gaat het veel sneller, maar het zijn geen zich vermenigvuldigende organismen, zegt Arnold. Je stopt ze in een zak en gebruikt ze als chemicaliën. „Bierbrouwen levert iets op waar we behoorlijk van genieten, toch? Ook een chemisch proces. Stel je voor dat we nog veel meer zouden kunnen maken op die manier, veilig en schoon.” Ze wijst naar de vliegtuigen buiten. „Wat als we duurzame vliegtuigbrandstof uit koolstofdioxide en zonlicht konden maken, op dezelfde manier waarop je bier brouwt?”

Dat wil niet zeggen dat álles kan volgens Arnold. Zelf heeft ze ook weleens een ethische grens getrokken. „We kregen de kans om directe evolutie bij virussen te proberen. Wetenschappelijk heel erg interessant, maar daar hebben we nee op gezegd. Je weet gewoon niet wat de consequenties zijn. Misschien kun je de besmettelijkheid aanpassen, maar misschien heeft dat weer effect op de schadelijkheid. Misschien wordt het virus onschadelijk, misschien wel veel dodelijker. Soms weet je dat gewoon niet.”

Directe evolutie is voor een deel gokken op welke eigenschappen je precies aanpast, legt ze uit. „Stel je voor dat je een heel snel racepaard wil laten evolueren, maar tegelijkertijd wordt het, weet ik veel, een snel maar ook heel dom racepaard. Of eentje die al na vier jaar doodgaat. Je weet niet altijd wat het laten evolueren van de ene eigenschap voor invloed heeft op de andere. Bacteriën en virussen zijn veel leuker, en functioneel. Die groeien en ontsnappen en daar heb je niet altijd controle op. Enzymen zijn daarentegen geen complete organismen, we kunnen goed meten en bepalen welke eigenschappen we willen beïnvloeden.”

Bijna zeventig, maar er is nog genoeg te doen voor Arnold. Met behulp van AI denkt ze dat in de komende vijf à tien jaar technieken worden ontwikkeld om heel makkelijk geneesmiddelen te maken. „In plaats van hopen dat ik in de natuur een nieuw startpunt kan vinden, kan ik het met AI in het lab creëren en laten evolueren. Mijn doel is om nog tijdens mijn wetenschappelijke loopbaan te bewijzen dat we alle chemie in dna kunnen coderen.”

Ze denkt dat het rijden op koolstofdioxide in plaats van olie eraan komt, en geurstoffen die lijken op die van insecten om gewassen te beschermen tegen andere insecten in plaats van pesticiden. Allemaal ontwikkelingen die zich versnellen dankzij AI, volgens Arnold. „Ik wil op een knop drukken en elk enzym maken dat ik wil. Daar gaat het heen, heel spannend. En ik wil erbij zijn om dat mee te maken.” En vindt ze het als wetenschapper niet erg dat we niet precies weten hoe AI werkt? „We weten ook niet hoe evolutie werkt!”