Monniken hoopten ooit door alchemie lood in goud te veranderen. Maar overweeg in plaats daarvan bloemkool. Er zijn slechts twee genen nodig om de reguliere stengels, stengels en bloemen van de smaakloze Brassica oleracea-soort te veranderen in een prachtige compositie zoals deze wolkachtige fractal-groente.
Dit is echte alchemie, zegt Christophe Godin, senior onderzoeker bij het National Institute for Research in Digital Sciences and Technology in Lyon, Frankrijk.
Dr. Godin bestudeert plantarchitectuur door hypothetisch de evolutie van de vormen van verschillende soorten in drie dimensies te modelleren. Hij vroeg zich af wat genetische modificatie was achter de verspringende spiralen van bloemkool en de logaritmische fractals van Romanesco, een bloemkoolcultivar die bijna voor een kristal zou kunnen worden aangezien.
“Hoe kan de natuur zulke onverwachte dingen bouwen?” Gevraagd. Wat zouden de regels hierachter kunnen zijn?
Vijftien jaar geleden ontmoette Dr. Godin François Barsi, een plantenbioloog bij het Nationaal Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek in Grenoble, Frankrijk. In Dr. Parsi kende Dr. Godin de kwaadaardige collega van Fractal Flowers.
“Het is onmogelijk dat je niet merkt dat het een geweldige groente is”, zei Dr. Barsi, verwijzend naar Romanesco.
Dankzij de passie van Brassica hebben Dr. Godin en Dr. Parsi het genetische mysterie van fractale geometrie in zowel Romanesco als standaardbloemkool onderzocht, waarbij ze planten oproepen in wiskundige modellen en ze ook in het echte leven cultiveren. Hun bevindingen, die suggereren dat fractals worden gevormd als reactie op verschuivingen in de gennetwerken die de bloemengroei regelen, werden donderdag gepubliceerd in Wetenschap.
“Het is een fascinerende samensmelting van genetica aan de ene kant en rigoureuze modellering aan de andere kant”, zegt Michael Boruganan, een bioloog van de New York University die niet betrokken was bij het onderzoek. “Ze proberen aan te tonen dat je drastische veranderingen in de plant kunt krijgen door de regels voor hoe genen op elkaar inwerken aan te passen.”
In de vroege jaren 2000 dacht Dr. Parsi dat hij broccoli begreep. Hij gaf zelfs lessen in florale evolutie. “Wat is bloemkool? Hoe kan het groeien? Waarom ziet het er zo uit?”, zei hij.
Bloemkool heeft, net als spruitjes, stengels van peulen selectief onderwijs Van Brassica oleracea. Mensen kweekten spruitjes voor zijknoppen en broccoli voor bloemtrossen. Bloemkool geeft echter geen bloemknoppen; Bloeiwijzen, of bloemknoppen, rijpen nooit om bloemen te produceren. In plaats daarvan genereren bloemkoolroosjes replica’s van zichzelf in een spiraal, waardoor clusters van wrongel zoals veganistische kaas ontstaan.
Toen de twee onderzoekers bloemkool bespraken, suggereerde Dr. Godin dat als Dr. Parsi de plant echt zou begrijpen, het gemakkelijk zou moeten zijn om de morfologische evolutie van de groente te modelleren. Het bleek niet zo te zijn.
De twee kwamen voor het eerst in aanraking met het geklonterde moeras op het bord en stippelden verschillende genetische netwerken uit die konden verklaren hoe de plant in zijn huidige vorm was gemuteerd. Hun inspiratie was Arabidopsis thaliana, een goed bestudeerd kruid in dezelfde familie als bloemkool en zijn vele neven.
Als bloemkool een enkele bloemkool heeft aan de voet van de plant, dan heeft Arabidopsis veel bloemkoolachtige structuren langs de lange steel. Maar welke genen zouden deze slankere bloemkool kunnen verfijnen tot één grote, compacte bloemkool? En als ze deze genen identificeren, kunnen ze deze bloemkool dan uitsmeren in de pieken gevormd door Romanescus?
Om deze vragen te beantwoorden, hebben de onderzoekers het genennetwerk aangepast en ingeschakeld door middel van wiskundige modellen, het in 3D gegenereerd en in het echte leven gemuteerd. “Je stelt je iets voor, maar totdat je het programmeert, weet je niet hoe het eruit zal zien,” zei Dr. Parsi.
(In de loop van het onderzoek verzamelde Dr. Barsi ook verschillende monsters van Romanesco van een lokale boerenmarkt, nam de volgorde en ontleedde ze. Hij en zijn collega’s aten vervolgens de restjes, vaak rauw met verschillende sauzen, samen met glazen bier.)
Ik heb verschillende prototypes gefaald en het lijkt niet veel op bloemkool. Aanvankelijk dachten onderzoekers dat de sleutel tot bloemkool in de lengte van de stengel lag. Maar toen ze Arabidopsis-planten met en zonder korte steel programmeerden, realiseerden ze zich dat ze de bloemkoolstengel niet hoefden te verkleinen, noch in 3D-modellen, noch in het echte leven.
En de broccoli die ze simuleerden en kweekten, was gewoon niet fractaal genoeg. De patronen waren alleen zichtbaar op twee fractale schalen, als een spiraal genest in een andere vortex. Daarentegen vertoont gewone bloemkool vaak zelfgelijkenis op ten minste zeven fractale schalen, wat impliceert dat een spiraal gestrand is in een helix genest in een werveling genest in een vortex genest in een tussenliggende vortex aan het einde van een andere.
Dus in plaats van zich te concentreren op de stengel, concentreerden ze zich op het meristeem, een gebied van plantenweefsel aan het uiteinde van elke stengel waar actief delende cellen nieuwe groei produceren. Ze veronderstelden dat het groter maken van het meristeem het aantal geproduceerde knoppen zou verhogen.
Het enige probleem was dat de onderzoekers niet wisten welk gen de frequentie van de meristeemproductie zou kunnen regelen.
Op een dag herinnerde Eugenio Azpetia, toen een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Dr. Godin, zich een gen waarvan bekend is dat het de grootte van het centrale gebied van het meristeem verandert. De drie onderzoekers genoten van een kort moment van euforie en wachtten vervolgens maandenlang geduldig op de groei van de nieuw gemodificeerde Arabidopsis. Toen de knoppen ontkiemden, hadden ze bloemkool met kenmerkende kegelvormige koppen.
“Het doet ons zo veel denken aan wat er in Romanesco gaande is,” zei Dr. Godin trots.
Normaal gesproken, wanneer een plant een bloem ontkiemt, verhindert de bloeipunt van de plant verdere groei van de stengel. Bloemkoolgestremde melk is een knop die is ontworpen om een bloem te worden, maar die er nooit komt, maar wordt weggegooid. Maar de experimenten van meristeemonderzoekers hebben ontdekt dat, omdat deze scheut een voorbijgaande bloeifase heeft doorgemaakt, hij wordt blootgesteld aan het gen dat tot zijn groei leidt. “Omdat je een bloem was, ben je vrij om te groeien en te schieten”, zei Dr. Parsi.
Dit proces zorgt voor een kettingreactie waarbij het meristeem veel spruiten produceert die op hun beurt veel knoppen creëren, waardoor de fractale geometrie van bloemkool wordt geactiveerd.
Het is geen normale stomp,’ zei Dr. Goodin. ‘Het is een been zonder blad. Een been zonder geest.’
“Dit is de enige manier om bloemkool te maken,” zei Dr. Parsi.
Onderzoekers zeggen dat er waarschijnlijk andere mutaties zijn die verantwoordelijk zijn voor de verbazingwekkende vorm van Romanesco. Ning Gu, een onderzoeker bij het Beijing Vegetable Research Centre die ook het mogelijke genetische mechanisme achter de structuur van bloemkoolwrongel bestudeert, zegt dat de paper “veel inspiratie” heeft opgeleverd.
“Het verhaal is nog niet voorbij”, zei Dr. Godin, eraan toevoegend dat hij en Dr. Parsi hun bloemkoolmodellen zullen blijven verbeteren. “Maar we weten dat we op de goede weg zijn.”
Maar ze zeggen dat ze open staan om alles van bloemen te bestuderen.
“Reisliefhebber. Onruststoker. Popcultuurfanaat. Kan niet typen met bokshandschoenen aan.”