Een ode aan PCR door hoogleraar en nieuwe VN-columnist Amade M’charek

Achter de veelbesproken woorden ‘testen, testen, testen’ zitten drie belangwekkende letters: PCR, ofwel polymerase chain reaction. Ik had nooit kunnen bevroeden dat deze technologie ooit zo alledaags zou worden. Zodanig dat zelfs corona-ontkenners de nietsvermoedende burger waarschuwen met ‘corona = nep, PCR ook’.

Miljoenen burgers hebben de PCR-test één of meerdere malen gedaan. De test was voor velen het ticket waarmee ze de werkvloer weer konden betreden, weer naar school mochten gaan of in het vliegtuig mochten stappen.

Het deed me terugdenken aan mijn eerste ervaringen met deze technologie. Als sociale wetenschapper raakte ik in het midden van de jaren negentig geïnteresseerd in onderzoek naar de genetische diversiteit tussen mensen. Ik was in het bijzonder geïnteresseerd in de technieken, methodes en theorieën waarmee in het laboratorium kennis over diversiteit werd ontwikkeld.

Toen ik dit liet weten aan de onlangs overleden hoogleraar humane genetica Gert-Jan van Ommen, stuurde hij me door naar het Forensisch Laboratorium voor DNA Onderzoek (FLDO). Zij konden me leren wat ze daar deden. Een maand later stond ik er DNA uit bloed te extraheren. Niet van mensen, maar van chimpansees.

Het FLDO werd in 1994, met de introductie van het DNA-bewijs in het Nederlands strafrecht, opgericht als ‘DNAcontra-lab’. Het produceert DNA-profielen voor strafzaken. Omdat het FLDO ook een onderzoekspoot heeft, kreeg het de vraag of zij ook een DNA-paspoort voor apen konden ontwikkelen. Met zo’n individualiserend paspoort zou geen onderzoeksgroep meer kunnen beweren dat ze met hetzelfde beest aan het testen waren, terwijl ze het feitelijk vervangen hadden en het oorspronkelijke dier ziek of dood was. De hamvraag was: lijken primaat-apen voldoende op mensen om dezelfde genetische markers te gebruiken?

In een kleine onderzoeksruimte, het zogenoemde Pre-PCR-lab, kreeg ik tien viltkaarten in mijn handen gedrukt. Elk kaartje droeg de naam van een chimpansee en had vier rode vlekken: bloed. De laborant die mij die komende drie maanden zou opleiden, gaf mij aanwijzingen om een piepklein rood stukje af te knippen en in een epje, een klein plastic houdertje, te doen. En zo begon het proces van het isoleren van DNA uit de bloedcellen: cellen openbreken, centrifugeren, wassen, DNA binden.

Ondertussen moest volgens protocol alles wat ik deed op formulieren genoteerd worden. Zo kwamen Fauzi, Yoran, Zorro en hun maten te boek te staan als TNO-CH1, TNO-CH2, enzovoort. Uiteindelijk hadden we tien epjes met een heldere oplossing met zuiver DNA van elke chimp.

Wat we in handen hadden, wordt vaak als de bron van elk leven beschreven. Maar het had net zo goed een paar druppeltjes water kunnen zijn, meer was er niet aan te zien. Mijn begeleider moest een beetje grinniken om mijn verbazing en teleurstelling. Hij legde uit dat we niet zo veel DNA nodig hadden omdat we het DNA gingen vermeerderen; als het ware kopiëren met behulp van de PCR-techniek.

Miljoenen kopieën van een stukje DNA

De volgende ochtend stonden we weer in het Pre-PCR-lab om de ‘PCR-run’ op te zetten. Dat wil zeggen: de nodige ingrediënten aan het DNA toe te voegen om het te kunnen vermeerderen. Een precisiewerkje. Het doel is om slechts één specifiek stukje van het DNA te kopiëren, en dat minstens een miljoen keer. Pas in die hoeveelheid wordt het DNA-fragment zichtbaar en kan het aflezen worden.

Toen we klaar waren met het voorbereidend werk, brachten we de tien veilig afgesloten DNA-preparaten naar het zogenoemde Post-PCR-lab waar de PCR-apparaten stonden. We kozen het PCR-programma passend bij de ingrediënten en plaatsten ze in het apparaat. Wat volgde was wachten.

Ondertussen tekende mijn begeleider voor me uit wat er in het apparaat gebeurde. PCR staat als gezegd voor polymerase chain reaction. Wat daarin nagebootst wordt, is het kopiëren van DNA tijdens de celdeling, maar dan met behulp van temperatuurwisselingen en in een enorme snelheid. Door verhitting wordt het DNA uit elkaar getrokken en zo in de gelegenheid gesteld zich te kopiëren. Dit gebeurt dankzij de bijgevoegde ingrediënten, met name het enzym polymerase. Cyclus na cyclus van verhitting en afkoeling leiden zo tot een exponentiële groei van het DNAfragment: van 2 naar 4 naar 16 naar 256, en binnen twee uur heb je miljoenen kopieën van het stukje DNA dat je wilt onderzoeken.

Biologisch spoor

Een PCR-apparaat is vandaag de dag een klein, handzaam apparaat dat in een keuken niet zou misstaan. In laboratoria wordt het steeds vaker gekoppeld aan een robot die het pipeteerwerk doet. Wat ik hierboven beschreef, is inmiddels zo alledaags dat je haast zou vergeten wat voor een revolutionaire technologie het is.

PCR heeft de wereld van de genetica radicaal veranderd.

De uitvinder Kary Mullis heeft niet voor niets in 1993 de Nobelprijs voor scheikunde in ontvangst mogen nemen. Het belangrijkste puzzelstukje voor het nabootsen van wat normaliter in de cel gebeurt, het kopiëren van DNA, was het enzym polymerase. Om het DNA kunstmatig te kunnen kopiëren, moet het verhit worden, maar door verhitting gaat het enzym stuk. Alles wat leeft gaat stuk door verhitting, dat is het principe van koken. De oplossing werd gevonden in de geisers van Yellowstone Park in Californië.

Daar werd in de jaren zestig een bacterie ontdekt die in de heetwaterbronnen gedijde, dus bij extreme temperaturen. Het polymerase enzym van deze bacterie, de Taq-polymerase, blijft zelfs bij 95°C actief. Zo heef PCR een vlucht genomen en heeft de genetica de wereld kunnen veroveren.

Zonder PCR was het niet mogelijk geweest om in 2002 zo snel het SARS-virus te bepalen en te reconstrueren waar het vandaan kwam, iets wat anders decennia zou hebben geduurd. Zonder PCR hadden we het huidige SARS-virus, het corona-virus, niet zo snel ontdekt en de bijbehorende testen niet kunnen ontwikkelen.

Maar meer in het algemeen heeft PCR de wereld van de genetica radicaal veranderd. PCR zorgt niet alleen voor snelheid in het onderzoek, PCR maakt het mogelijk om minuscule hoeveelheden DNA te onderzoeken. Het succes en de reikwijdte van het forensisch DNA-bewijs, van zware misdrijven tot inbraken en autokraken, is gebaseerd op PCR.

Een klein biologisch spoor van een verdachte kan met behulp van PCR tot zijn veroordeling leiden. Meer in het algemeen ligt PCR aan de basis van een veranderende visie op wie wij zijn en waar wij vandaan komen. Zo werd het archeologisch en paleontologisch onderzoek nieuw leven ingeblazen, waardoor wij nu de neanderthaler tot onze voorouders mogen rekenen. Ook sturen wij tegenwoordig massaal wattenstaafjes met wangslijm naar commerciële bedrijven om ons genetisch door te laten lichten op ziektes, genealogische verwantschap of afstamming. DNA-databanken voor de meest verschillenden doeleinden blijven zodoende groeien.

Door PCR heeft de genetica het laboratorium verlaten. De komende maanden zal ik de impact hiervan bespreken en stilstaan bij thema’s als het forensisch DNA-bewijs, de terugkomst van biologisch ras, vraagstukken van identiteit en afkomst, de reconstructie van (nationale) geschiedenis, alsook DNA-databanken en privacykwesties. Omdat de genetica voorlopig onze wereld zal blijven veranderen.