Kleine lijntjes op het tandglazuur onthullen een voorheen onbekend biologisch ritme. Als de gegevens worden bevestigd, zal deze bevinding onderzoekers helpen begrijpen waarom grotere dieren langzamer groeien en langer leven dan kleinere.
Vorig jaar op een zomer kauwde Timothy Bromage, paleontoloog aan de New York University, op een lamskotelet tijdens een vakantie in Cyprus. Plots hoorde hij een krakend geluid. Toen het geluid werd gevolgd door een scherpe pijn, besefte hij dat hij een tand had gebroken.
Toen hij terugkeerde naar New York, vertelde zijn tandarts hem dat hij drie maanden pijn zou moeten doorstaan als hij een tand wilde laten herstellen. 'Of geef me maar vijf minuten,' zei de dokter, 'en ik haal hem er nu meteen uit.'
Bromage heeft de voorkeur om te verwijderen. Zo kon hij een dun gedeelte van de tand maken, wat hij al jaren wilde doen, om een nieuw soort bioritme te meten, dat hij bestudeerde in de blijvende tanden van zoogdieren. Dit is geen goed bestudeerd circadiaans bioritme, maar een langere, die van soort tot soort verschilt en van twee dagen tot twee weken duurt. Bromage gelooft dat dit ritme de groeisnelheid van dieren en hun levensduur kan bepalen.
Bij ratten duurt het bioritme een dag; bij makaken - vier, bij schapen - vijf, bij mensen - van zes tot twaalf dagen. Bromage bevestigde deze relatie bij tientallen andere levende en uitgestorven zoogdieren, waaronder Aziatische olifanten, die een bioritme hebben dat 14 dagen aanhoudt. (Er zijn uitzonderingen: honden laten deze relatie bijvoorbeeld niet zien.)
Over het algemeen is het langzamere ritme bij grotere zoogdiersoorten gerechtvaardigd: grote dieren groeien langzamer dan kleinere dieren en brengen langere periodes door. Bromage gelooft dat het ritme van tanden en botten een groeisignaal weerspiegelt dat de snelheid van celdeling stimuleert, die de cellen van het lichaam dit signaal met regelmatige tussenpozen ontvangen. Hoe vaker dergelijke signalen worden ontvangen, hoe sneller het dier groeit.
Ritmisch interval neemt niet alleen toe met het lichaamsgewicht, Bromage ontdekte dat het toeneemt met andere kenmerken die samen met het lichaamsgewicht toenemen, bijvoorbeeld met levensverwachting, lactatieduur, metabolisme, oestrische cyclusduur en zelfs niergrootte. Dit suggereert dat door het meten van de groeisnelheid van slechts één tand, zelfs als het een uitgestorven dier is, het mogelijk zal zijn om niet alleen de grootte van zijn lichaam te bepalen, maar ook veel van zijn andere kenmerken.
"Geef me een tand, een permanente primaattand - gooi hem gewoon naar me toe, vertel me niet wat voor primaat het is - en ik zal reconstrueren hoe groot hij nieren had, hoe lang hij leefde, al die kenmerken", zegt Bromage. "Het is ongelooflijk wat een kans dit materiaal opent om de sleutel tot het leven te vinden."
Promotie video:
Na het ontvangen van de prestigieuze Max Planck Wetenschapsprijs in 2010 samen met een collega, besteedde Bromage de € 750.000 aan onderzoek om te bepalen of bloedmonsters van dieren hetzelfde ritme weergeven als tanden. Het onderzoek was duur en tijdrovend, mede omdat muizen en ratten (de goedkope werkpaarden van de biologie) geen meerdaags ritme hebben en daarom niet als proefpersoon kunnen worden ingezet.
De resultaten van zijn onderzoek, gepubliceerd in 2016, zijn nog niet solide genoeg om een ontdekking te worden. Veel chronobiologen zijn sceptisch over hen.
Maar "Wat als hij toch gelijk heeft?", Vraagt Robin Bernstein, een antropoloog-bioloog aan de Universiteit van Colorado in Boulder, die de evolutie van lichaamsgrootte heeft bestudeerd en nu de groei van mensen en niet-menselijke primaten bestudeert. "Naar mijn mening is hij een van die mensen die zijn tijd vooruit zijn", zegt ze. "Misschien is er hier niets speciaals, maar het is origineel, heel interessant, en ik denk dat er veel aan kan worden gedaan."
Tandheelkundige verbindingen
Bromage raakte geïnteresseerd in tanden toen hij halverwege de jaren tachtig afstudeerde. Destijds wisten wetenschappers dat, net zoals bomen jaarringen vormen, er zich dagelijkse groeistrepen op het tandglazuur vormen. In de jaren dertig en veertig ontdekten Japanse wetenschappers ze op de tanden van honden, ratten, varkens en makaken.
Zoogdieren hebben ook prominente strepen die Retzius-strepen worden genoemd. In de vroege mensachtigen die op dat moment door Bromage werden bestudeerd, scheidden zeven dagelijkse bands elke Retzius-afstamming. Niemand wist hoe of waarom ze zich vormden, maar Bromage kon ze gebruiken als een marker om aan te tonen dat de eerste permanente kiezen verschenen in vroege mensachtigen rond de leeftijd van drie jaar, zoals chimpansees, veel eerder dan moderne mensen. Dit betekende dat de vroege mensachtigen niet alleen miniatuurversies waren van moderne mensen, zoals toen werd aangenomen, maar dichter bij de apen stonden.
In 1991 bevestigde Bromage dat Retzius 'lijnen bij makaken werden gescheiden door slechts vier dagelijkse groeilijnen, in tegenstelling tot zeven die hij bij vroege mensachtigen had waargenomen. Toen realiseerde hij zich in 2000 dat botten ook een periodiek groeipatroon hebben. Hij ontdekte dat strepen, lamellen genaamd, zich in slechts één dag op de botten van ratten vormden. Hoe zou dit mogelijk kunnen zijn als menselijke botten veel langzamer groeien dan rattenbeenderen?
"Het is al jaren niet meer uit mijn hoofd", zegt Bromage. En op een dag in 2008 las hij in een proefschrift van een van zijn studenten dat lamellen in de botten van makaken in vier dagen worden gevormd, dat wil zeggen op dezelfde manier als de Retzius-lijnen, die hij in 1991 in de tanden van makaken vond. "Deze herinnering uit 1991 kwam in me op zodra ik het cijfer vier zag", herinnert hij zich. Zou het mogelijk kunnen zijn, vroeg hij zich af, dat zoogdieren dezelfde groeiperiodes in tanden en botten hebben? Als dit het geval is, zouden lamellen bij mensen zich ook in zeven dagen moeten vormen, wat veel langer is dan bij ratten, wat maar één dag duurt.
Bromage noemde dit idee 'een heel nieuw paradigma'. Tot die tijd werd aangenomen dat er geen verband was tussen de groei van tanden en botten; botten werden nooit gezien als weefsel dat zich in geleidelijke, meetbare stadia ontwikkelt, zoals tanden en bomen. Elk mogelijk verband tussen de snelheid van ontwikkeling van tanden en botten was zo fundamenteel dat ik een week lang niemand iets kon vertellen”, zegt Bromage, zelfs niet tegen zijn vrouw. Hij controleerde de histologische structuur van botten en tanden in zijn laboratorium en ontdekte dat het ritme van de groei van tanden en botten samenviel bij makaken, schapen en mensen.
Het ritme van de hersenen
Als de ritmes die Bromage zag in de groeibanden van zoogdiertanden en botten een reactie waren op een groeisignaal, waar zou dat signaal dan vandaan kunnen komen? Bromage gelooft dat de bron hetzelfde deel van de hersenen is dat, zoals al bekend is, het circadiane bioritme bepaalt, dat wil zeggen de hypothalamus. De lengte van de bioritmen die hij bestudeerde is immers altijd een veelvoud van een hele dag, en de biologische klok, zoals al is vastgesteld, beïnvloedt de snelheid van celdeling. De hypothalamus is in staat deze functie uit te voeren, dus "waarom zou je een ander, volledig nieuw instrument uitvinden?" - hij stelde een vraag. Iets, misschien een stof die zich ophoopt in de hypothalamus, kan de biologische klok in een meerdaagse cyclus laten variëren. Welk deel van de hersenen hiervoor ook verantwoordelijk is, "het is bedoeld om te tellen", zegt Bromage.
De hypothalamus doet nog een ander werk: hij reguleert de hypofyse, een hormoonproducerende hypofyse, waarvan de voorkant de lichaamsgrootte regelt en de achterkant de duur van de oestrische cyclus. Misschien niet toevallig, dit zijn de enige twee fysiologische kenmerken die Bromage ontdekte, die rechtstreeks verband houden met de duur van het nieuwe bioritme.
Bromage begon zijn theorie te testen. Als het signaal dat in de hersenen wordt gegenereerd de groeisnelheid reguleert, speculeerde Bromage, dan moet het bloed sporen van dit signaal bevatten.
Bromage besteedde twee weken aan het verzamelen van zes milliliter bloedmonsters van varkens. Vervolgens overhandigde hij 1.700 monsters die hij van 33 varkens had verzameld aan een onafhankelijk laboratorium om 995 verschillende metabolieten, biochemische stoffen die door het lichaam worden geproduceerd, te identificeren.
Nadat hij 300 duizend dollar had uitgegeven, kreeg hij het antwoord: van de 159 meest geconcentreerde metabolieten met een specifieke biologische functie, weerspiegelden er 108 het circadiane ritme. Het volgende meest voorkomende ritme was hetzelfde vijfdaagse ritme dat Bromage identificeerde in de tanden en botten van varkens. Slechts 55 van de 159 metabolieten passeerden deze cyclus en slechts in 20 viel de cyclus samen met andere ritmes.
Tot zijn verbazing identificeerde Bromage twee cycli van vijf dagen met een tussenpoos van drie dagen. De eerste bevatte metabolieten die geassocieerd zijn met groei, en de tweede - metabolieten die werden gevormd tijdens de afbraak van biologische moleculen. Dit was logisch: als de groei voorbij is, moeten metabolieten worden afgebroken om beschikbaar te komen voor verwerking in de volgende groeicyclus. Wat een prachtig ontworpen systeem, dacht Bromage, ik had het nooit geloofd als ik het niet met eigen ogen had gezien!
Hij noemde het nieuwe bioritme "Havers-Halberg Oscillations". De naam is gegeven ter ere van Clopton Havers, die aan het einde van de 17e eeuw voor het eerst de lamellen van botten beschreef en wat later bekend zou worden als de Retzius-strepen; en Franz Halberg, een chronobioloog die in 2013 op 93-jarige leeftijd stierf.
Het varkensprobleem
Als we terugkijken, realiseren we ons dat het niet de slimste beslissing was om het ritme naar Halberg te vernoemen.
Chronobiologen zijn buitengewoon sceptisch geworden over de ontdekking van meerdaagse bioritmen, zegt Roberto Refinetti, een fysioloog aan de Universiteit van Boise en auteur van een leerboek over circadiane fysiologie. En daarvoor zijn we Halberg veel verschuldigd. Hij introduceerde het concept van "circadiaans". In de toekomst kondigde hij echter de ontdekking van langere ritmes aan, zonder substantieel bewijs te leveren. 'Hij was echt, zoals hij graag zei, een ruimdenkende man,' zei Refinetti. 'Sommigen dachten dat hij zelfs buiten de grenzen was.'
Refinetti zelf probeerde (en faalde) om een wekelijks ritme in bloeddruk en melkzuurconcentratie bij paarden vast te stellen. Hij gelooft dat het vijfdaagse ritme van Bromage bij varkens het resultaat kan zijn van een menselijke werkweek, een relatief nieuwe sociale uitvinding. Bovendien, zegt hij, had niets in de omgeving een voorwaarde kunnen zijn voor de ontwikkeling van een wekelijks ritme gedurende miljoenen jaren. Vergelijk dit met het circadiane ritme, dat duidelijk ontstond als reactie op de verandering van dag en nacht.
Bromage antwoordde dat de ritmes die hij identificeerde hoogstwaarschijnlijk niet door de werkweek konden worden veroorzaakt, omdat de varkens de hele tijd in constante omstandigheden werden gehouden. Als de theorie van Bromage juist is, hebben deze ritmes bovendien geen extern signaal van meerdere dagen nodig om zich te ontwikkelen, aangezien ze zijn gebaseerd op dagelijkse uren die kunnen worden geteld. Hij voegde eraan toe dat Refinetti waarschijnlijk niet het wekelijkse ritme bij paarden heeft gemeten, omdat hij niet het hele complex van groei heeft gemeten.
In termen van kritiek op de gegevens van Halberg zei Bromage dat hij het ritme naar hem vernoemde omdat hij 'voorstander was van langdurige ritmes terwijl niemand anders op aarde erover nadacht'. Maar dat, zegt Bromage, betekent niet "ik ben het eens met al zijn uitspraken."
Het is misschien moeilijker om te argumenteren met de statistieken volgens de gegevens van Bromage. Vanwege de kosten en complexiteit moest het experiment in een korter tijdsbestek worden uitgevoerd dan Bromage had gehoopt. Omdat er te weinig cycli waren, kon hij de ritmes statistisch niet objectief controleren. In plaats daarvan zette de situatie hem ertoe aan om een vijfdaags ritme aan te nemen en vervolgens te controleren of die veronderstelling statistisch relevant was. Als je een cyclus van vijf dagen claimt, moet je veel cycli meten om een statistische basis te hebben, zegt Andrew Liu, een chronobioloog aan de Universiteit van Memphis.
Bromage was het ermee eens dat het experiment zijn eigen gebreken had. "We hebben het echt versneld", zegt hij. Het zou moeilijk zijn om het bloed van varkens over een langere periode te meten: de dieren werden meer gestrest en tegen het einde van het onderzoek begonnen ze infecties te ontwikkelen. "Het was een totaal nieuwe ervaring voor iedereen, dus het was niet perfect en we hebben veel geleerd", zegt Bromage.
Om nauwkeurigere gegevens te krijgen, is hij van plan om meer cycli op te nemen in zijn volgende onderzoek, waarin hij een maand lang bloed zal meten bij resusapen (ze hebben een ritme van vier dagen). Makaken zijn gewend aan bloedafname, voegde hij eraan toe, wat betekent dat wetenschappers bloedmonsters zullen nemen van dieren die geen stressgerelateerde problemen ervaren, zoals varkens.
Bromage merkte op dat hij desondanks een vijfdaags ritme identificeerde in een ander type moleculen die in het bloed van varkens circuleren: kleine RNA's, en de meeste daarvan met een vijfdaagse cyclus hebben ook een biologische functie die verband houdt met groei. Hij denkt niet dat deze ontdekking toeval is. "De kans dat dit kan gebeuren, is astronomisch klein", zegt hij.
Twee dagen oude rat
Bloedonderzoek is niet de enige manier waarop wetenschappers bioritmen kunnen volgen. Liu, van de Universiteit van Memphis, zegt dat als hij geld had, hij geïnteresseerd zou zijn in het bepalen van het meerdaagse ritme in een groot dier met behulp van het daily reporter-gen. Deze genen worden geactiveerd door het circadiane ritme en produceren een molecuul dat biologen in realtime met hoge precisie kunnen meten. De associatie van een dergelijk gen met de hypothalamus van het dier kan onthullen dat het circadiane ritme op de een of andere manier varieert tijdens het meerdaagse schema”, zegt Liu. "Het is te doen", zegt hij, "en erg interessant."
Maar zelfs als het ritme van de metabolieten wordt bevestigd, zeggen Liu en andere wetenschappers, betekent dit niet dat hij verantwoordelijk is voor de lichaamsgrootte. Het kan eerder eenvoudigweg verschillende groeisnelheden bij dieren van verschillende grootte weerspiegelen. Zoals Liu uitlegde, "alleen omdat je iets in het bloed markeert dat ritmes heeft, hoeft niet per se te betekenen", dat is de reden.
Bromage was het daarmee eens. 'Dit is maar een hypothese,' zei hij. 'Het kan experimenteel worden getest.' Om dit te doen wil hij de volwassen cellen, die zich één keer per dag delen, onderwerpen aan biologische factoren die het circadiane ritme in een meerdaags ritme kunnen veranderen. Als dat eenmaal werkt, zegt hij, zullen wetenschappers zien of ze een 'hele rat in een twee dagen oud dier' kunnen veranderen.
Andreas von Bubnoff
