Synthetisch bioloog Tal Danino manipuleert micro-organismen in zijn lab om oogstrelende, kleurrijke patronen te creëren. Hier is een blik op het proces dat hij gebruikt om “Oh, yuck” te veranderen in “Oh, wow.”

Synthetisch bioloog Tal Danino wast voortdurend zijn handen, een van de beroepsrisico’s van het werken met bacteriën de hele dag in het Synthetic Biological Systems Lab, dat hij leidt aan de Columbia University in New York City. Danino, een TED Fellow, probeert het grootste deel van zijn tijd de unieke eigenschappen van bacteriën aan te wenden – dezelfde eigenschappen die ze zo gevaarlijk voor mensen kunnen maken – en ze te veranderen in krachtige kankerbestrijders. Maar als hij bacteriën niet programmeert om kanker te bestrijden, programmeert hij ze om kunst te maken, deels om moeilijke wetenschappelijke principes toegankelijker te maken. “Het is leuk om de beeldende kunst te gebruiken om wetenschap over te brengen,” zegt hij, “en dat komt omdat kunst echt de grenzen van taal en ook van kennis overstijgt.” Danino’s recente creatieve inspanningen omvatten een feministische installatie van bacteriële culturen genomen uit de lichamen van 100 vrouwen (waarvoor hij samenwerkte met conceptuele kunstenaar Anicka Yi), evenals een reeks keramische schalen geïnspireerd door natuurlijk voorkomende bacteriële patronen (een samenwerking met kunstenaar en fotograaf Vik Muniz). Voor zijn laatste project, Microuniverse, produceerde hij een serie oogverblindende, abstracte beelden gemaakt door verschillende soorten bacteriën, elk gekweekt onder verschillende omstandigheden voor variërende tijdsduur. “Het project gaat over het zien van dit ongeziene universum dat echt klein is en overal om ons heen is, elke dag,” zegt hij. Hier beschrijft hij enkele van zijn vreemd mooie projecten.

De intrigerende esthetiek van bacteriën

Iedere dag observeert Danino de ingewikkelde patronen die bacteriën vormen in tientallen petrischaaltjes in zijn lab. Terwijl hun cellen groeien, zich delen en met elkaar communiceren, organiseren ze zich in kolonies om hun overlevingskansen te maximaliseren. De patronen die ze vormen, worden bepaald door zowel hun genetische opmaak als hun omgeving. Door bacteriën te selecteren waarvan bekend is dat ze bepaalde patronen genereren – E. coli groeit bijvoorbeeld van nature als een fractal, terwijl Proteus mirabilis als concentrische ringen groeit – en ook interessant uitziende bacteriën uit bodemmonsters uit zijn eigen achtertuin, begonnen Danino en zijn team te experimenteren met het controleren van hun groeipatronen. Uiteindelijk hoopt hij dat als ze beter begrijpen hoe de natuur vorm geeft aan gedrag en patronen in bacteriën, dit op zijn beurt een inspiratiebron kan zijn voor hun werk om bacteriën te ontwikkelen voor de bestrijding van kanker.

Verander de omgeving, verander het ontwerp

Door de omstandigheden te veranderen – zoals de temperatuur en vochtigheid – waaronder de bacteriën worden gekweekt, ontdekte Danino dat hij ze kon manipuleren om bepaalde patronen te creëren. De optimale temperatuur voor de groei van veel bacteriën is bijvoorbeeld 37 graden Celsius, wat, zoals te verwachten is, de temperatuur van het menselijk lichaam is. Als het warmer of kouder is dan 37 graden, zal de groei van bacteriën gewoon vertragen. Vochtigheid beïnvloedt de bacteriën op een andere manier: hoe droger de omgeving, hoe waarschijnlijker het is dat de bacteriën zich groeperen om vocht vast te houden. Het veranderen van de concentratie agargel – het groeimedium voor bacteriën – op het petrischaaltje heeft ook invloed op het patroon, zegt Danino. Hoe zachter de gel, hoe sneller de bacteriën zich over een groter gebied verspreiden.

Wachten en kijken

Nadat Danino de beginvoorwaarden heeft ingesteld, laat hij de bacteriën groeien en wacht hij op de resultaten. Hij gebruikte ongeveer 20 verschillende soorten bacteriën voor Microuniverse en liet ze groeien gedurende twee dagen of zelfs twee maanden. Ongeacht de omstandigheden waarin ze worden grootgebracht, “heeft elke bacterie een natuurlijke voorkeur voor een type patroon,” zegt hij. “En dat heeft te maken met de specifieke manier waarop bacteriën zwemmen en hoe ze met elkaar communiceren. Ze hebben elk hun eigen persoonlijkheid.”

Kolonies van kleur

Wetenschappers gebruiken standaard chemische kleurstoffen om informatie te verzamelen over de structuur van een bacterie. Als zij bijvoorbeeld Streptococcus pyogenes van E. coli willen onderscheiden, kleuren zij een schaaltje om de vormen van de cellen zichtbaar te maken, zodat zij deze visueel kunnen identificeren. “Wetenschappers kijken meestal naar afbeeldingen met slechts één kleur,” zegt Danino, “dus daar hebben wij op ingespeeld.” Naast de traditionele wetenschappelijke kleurstoffen experimenteerde hij ook met het gebruik van voedingskleurstoffen op de agar en op de bacteriën zelf. Hij probeerde ook verschillende kleurencombinaties uit om een gradiënteffect te bereiken, zoals in deze afbeelding hierboven.

Exposing an unseen universe

“Elke ingelijste afbeelding of elk petrischaaltje is zijn eigen kleine wereld”, zegt Danino. “Die patronen lijken op iets dat je in een sneeuwvlok zou kunnen zien, iets dat je onder water zou kunnen zien.” Met elk petrischaaltje wil het project een heel eigen abstract universum voorstellen. “Ik begon die petrischaaltjes te zien en ik had zoiets van: wow, dat lijkt op iets dat je in de ruimte zou zien.” Vandaar de naam Microuniverse.

Het proces van moleculair klonen

Danino’s kunstprojecten zijn iets wat hij in zijn vrije tijd doet. Zijn dagen worden in beslag genomen door werk in de synthetische biologie, een relatief ontluikend wetenschappelijk gebied dat, ruim gedefinieerd, betrekking heeft op de engineering van levende organismen om een gewenst gedrag te bereiken. In zijn lab bewerkt en programmeert Danino bacteriën met behulp van een proces dat moleculair klonen wordt genoemd. Nadat hij heeft vastgesteld welke gensequenties een bepaalde biologische functie in een soort bacterie creëren, kunnen hij en zijn team deze sequenties isoleren, ze in het laboratorium versterken en ze vervolgens invoegen in het DNA van de bacterie die zij die functie willen laten vertonen. “Tegenwoordig kun je die sequentie online intypen, waarna een bedrijf die sequentie synthetisch produceert en naar je opstuurt in een buisje”, zegt Danino.

Het potentieel tegen kanker benutten

Recentelijk hebben Danino en zijn team bacteriën ontwikkeld – ze hebben gewerkt met E.coli, een E.coli probioticum, en Salmonella – om kanker op te sporen en te behandelen. Opmerkelijk is dat bacteriën in tumoren kunnen groeien waar zelfs het immuunsysteem niet kan komen, en dat ze ook kunnen worden geprogrammeerd om verschillende toxinen te produceren die tumorcellen doen afsterven. Met behulp van moleculair klonen probeert Danino bacteriën te programmeren om tumoren in het lichaam op te sporen en te onthullen en ook om kankerbestrijdende toxines vrij te geven zodra ze zich in de tumor bevinden. “Het is bijna een soort Trojaans paard-situatie,” legt hij uit. “Bacteriën komen in de tumor en beginnen dan het medicijn te maken, waarna de tumor daadwerkelijk kan vertragen of afsterven.”

Een visuele toegangspoort tot de wetenschap

Danino hoopt dat projecten zoals Microuniverse mensen zullen inspireren om meer te leren over de complexe microbiële werelden overal om ons heen – en in ons – en om hen te laten zien dat bacteriën kunnen worden gebruikt voor positieve doeleinden, zoals het bestrijden van kanker. “Het is echt moeilijk om mensen te leren over DNA en eiwitten en moleculair klonen,” zegt hij. “Maar ik denk dat als je een beeld ziet, ongeacht je achtergrond, het je aantrekt om meer over de wetenschap te leren.” Wat is de volgende stap voor het project? Danino is een samenwerking aangegaan met het bedrijf Print All Over Me om op maat gemaakte kleding te maken op basis van de afbeeldingen van bacteriën uit Microuniverse (een deel van de opbrengst gaat naar kankeronderzoek). Hij hoopt ook Microuniverse, dat later in 2017 in het MIT zal worden tentoongesteld, te kunnen blijven rondleiden. Zijn lab werkt ook aan het vastleggen van time-lapse video’s van de bacteriegroei, wat betekent dat, dat klopt, E. coli binnenkort naar een theater bij u in de buurt zou kunnen komen.

Alle beelden: Soonhee Moon.