2011 Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) © Sommige rechten zijn voorbehouden / Some rights reserved
Voor deze uitgave zijn gebruiksrechten van toepassing zoals vastgelegd in de Creative Commons licentie. [Naamsvermelding 3.0 Nederland]. Voor de volledige tekst van deze licentie zie http://www.creativecommons.org/licenses/by/3.0/nl/
Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen Postbus 19121, 1000 GC Amsterdam Telefoon + 31 20 551 0700 Fax + 31 20 620 4941 knaw@bureau.knaw.nl www.knaw.nl pdf beschikbaar op www.knaw.nl
Basisvormgeving: edenspiekermann, Amsterdam
Opmaak, beeldbewerking en bureauredactie: Ellen Bouma, Alkmaar Met dank aan Annemarie Roos voor het aanleveren van de volgende figuren: 1.1, 3.1, 3.2 en 6.3
Beeldredactie omslagfoto: Tamar Stelling, www.tamarstelling.nl
Illustratie omslag: Thomas C. Kline Jr. De kwal Aequorea victoria, ‘leverancier’ van het Green Fluorescent Protein (GFP)
ISBN: 978-90-6984-636-1
Het papier van deze uitgave voldoet aan ∞ iso-norm 9706 (1994) voor permanent houdbaar papier.
strategische verkenning
nieuwe biologie
het kloppend hart van de
life sciences
Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen Commissie Visie Biowetenschappen
voorwoord
Met genoegen presenteer ik u deze Strategische verkenning Nieuwe Biologie, de prilste loot aan de stam van KNAW-verkenningen. Deze publicatie, waarin de mogelijkhe-den van de biowetenschappen in Nederland onder de loep wormogelijkhe-den genomen, zet ons pleidooi voor het slechten van grenzen in de wetenschap andermaal kracht bij. Het is onze stellige overtuiging dat voor succesvolle wetenschap in Nederland het vervloeien van wetenschappelijke disciplines en het bevorderen van samenwerking cruciaal zijn. Juist op de raakvlakken van disciplines worden vaak wetenschappelijke doorbraken gerealiseerd.
Ook het kabinet, geïnspireerd door onder andere de commissie Veerman, zet in op kiezen en samenwerken. De voorliggende strategische verkenning sluit daar naadloos bij aan – niet alleen bij het hoger onderwijs en onderzoeksbeleid, maar ook bij het innovatiebeleid, want wie het heeft over biowetenschappen heeft het ook over meer-dere topsectoren van het innovatiebeleid.
Waar het gaat om het bepleiten van nationale samenwerking en profilering heeft de KNAW een reputatie hoog te houden, niet in de laatste plaats waar het gaat om biologie. In 2001 verscheen het rapport Biologie, een vitaal belang, een sectorplan avant la lettre. Sectorplannen zijn bij uitstek geschikt om de binding binnen en tussen wetenschappelijke disciplines te bevorderen en zo de positie van de 'Universiteit van Nederland' te versterken. Belangrijke voorwaarden zijn dat de plannen worden gedra-gen door de onderzoekers en de instellingedra-gen en dat ze aansluiten bij de behoeftes van maatschappij en bedrijfsleven. Verder moet sprake zijn van een duidelijke positiebepa-ling in het Europese speelveld en, onontkoombaar, de beschikbaarheid van middelen om systeemaanpassingen te realiseren. De sectorplannen die in de afgelopen jaren het licht zagen voldoen in toenemende mate aan dit ideaalbeeld. Ook de maatschappelijke vragen, die mede door de wetenschap kunnen worden beantwoord, krijgen een steeds centralere plaats.
De strategische verkenning Nieuwe Biologie is voor de biowetenschappen een belangrijke stap in diezelfde goede richting. De aanbevelingen die zij bevat, verdie-nen het ter harte te worden genomen en te worden uitgewerkt. Het rapport maakt de sterk toegenomen toenadering zichtbaar tussen gebieden die voorheen min of meer gescheiden opereerden. Centrale biologische concepten, zoals evolutie en ecosysteem, treffen we nu ook ver buiten de biologie aan. Om die reden moet de uitwerking van deze verkenning ter hand worden genomen in samenwerking met de de biologie omringende disciplines, zoals natuurkunde en scheikunde, technische wetenschappen en medische wetenschappen.
Inspirerend vind ik, ten slotte, hoe de conclusies van dit rapport zich verhouden tot De Nederlandse Wetenschapsagenda die eerder dit jaar het licht zag. Van de 49 in dat document beschreven wetenschappelijke uitdagingen passen er opmerkelijk veel bij de ‘nieuwe biologie’, zoals de wereldvoedselvoorziening, de energievoorziening, ziektepreventie en -bestrijding en de zorg voor een gezonde leefomgeving – waarmee het maatschappelijk belang van slim georganiseerd wetenschappelijk onderzoek op topniveau maar weer is aangetoond.
Mijn dank geldt de Commissie Visie Biowetenschappen voor het ontwikkelen van deze verkenning. We zullen de toekomst van ook deze toekomstverkenning nauwgezet volgen.
Robbert Dijkgraaf President KNAW
inhoud
voorwoord
5samenvatting
9summary
12 1.inleiding
152.
de maatschappelijke uitdagingen voor de nieuwe biologie
18 2.1 Gezondheid 182.2 Voedselzekerheid 20
2.3 Verstandig gebruik van ecosystemen en biodiversiteit 22 2.4 Overgang naar biobased chemicaliën, materialen en energie 24 2.5 Ethische aspecten, risico’s en maatschappelijk draagvlak 26 3.
van biologie naar nieuwe biologie
303.1 Van beschrijven naar verklaren en voorspellen 30 3.2 Disciplinaire grenzen vervagen 31
3.3 De onderzoekagenda van de Nieuwe Biologie 34 4.
nieuwe biologie in nederland
364.1 Onze internationale positie 36
4.2 Hoe houden we onze toppositie vast? 37
5.
profilering, focus en massa – kwaliteit door keuzes
39 5.1 Noodzaak van focus en massa 395.2 Kwantificeren van vakgebieden binnen de life sciences 40 5.3 Gerealiseerde profilering in de kerndisciplines van de biologie 44 5.4 Specifieke wetenschappelijke en maatschappelijk belangen van de vijf zwaartepunten 45
5.5 De interdisciplinaire wetenschapsvelden waarin de Nieuwe Biologie participeert 48
5.6 De vakgebieden van de overige life sciences 49
5.7 De life sciences aan de Nederlandse onderzoeksinstituten 49 5.8 Aanbeveling voor profilering in het onderzoek 50
6.
opleidingen in de nieuwe biologie
52 6.1 Universitaire bachelor- en masteropleidingen 52 6.2 Hbo-opleidingen 556.3 Promotie-opleidingen 56
6.4 De arbeidsmarkt voor biologen 57 6.5 Aanbevelingen voor het onderwijs 58
7.
kennisvalorisatie dankzij de nieuwe biologie
62 7.1 Van wetenschappelijke ontdekking naar kennisvalorisatie 62 7.2 Het stimuleren van kennisvalorisatie 647.3 De ‘gouden driehoek’ is nu aan zet 65
7.4 Aanbevelingen op het terrein van onderzoek en kennis-valorisatie 66 8.
aanbevelingen
698.1 Inleiding 69
8.2 Aanbevelingen ter versterking van het onderwijs 69 8.3 Aanbevelingen ter versterking van het onderzoek 71
8.4 Aanbevelingen ter versterking van innovatie en kennisvalorisatie 72 8.5 Benodigde investeringen en hun opbrengsten 75
bijlagen
A. Taakomschrijving en samenstelling van de commissie 76
B. Onderzoekzwaartepunten: Tabellen 5.4 en 5.5 horend bij hoofdstuk 5 78 C. Universitaire bachelor- en master-opleidingen in de Nieuwe Biologie 82 D. Hbo-bachelor-opleidingen in de Nieuwe Biologie 84
E. Overzicht erkende Onderzoekscholen in de Nieuwe Biologie 85 F. Lijst van afkortingen 86
samenvatting
In deze strategische verkenning Nieuwe Biologie – het kloppend hart van de life sciences wordt een strategisch plan voor de biologie in Nederland gepresenteerd. Het is geba-seerd op een aantal analyses:
een analyse van de maatschappelijke uitdagingen en kansen op het terrein van de •
life sciences en hun relatie met de economische topsectoren van Nederland, een analyse van de internationale positie van het Nederlandse biologische onder-•
zoek en de perspectieven voor het behouden en versterken van die positie, en een analyse van de zwaartepunten in het Nederlandse onderzoek en onderwijs •
in de biologie en aangrenzende disciplines.
De eerste analyse laat zien dat de life sciences momenteel stormachtige ontwikkelin-gen doormaken, met grote consequenties voor ons dagelijks leven en grote kansen voor onze kenniseconomie. Die ontwikkelingen zijn mogelijk geworden doordat de biologie is doorgedrongen tot de bouwstenen van het leven en is uitgegroeid tot een verklarende en voorspellende wetenschap met een grote uitstraling naar andere wetenschapsvelden en toepassingsgebieden. Om die reden spreekt men dan ook van de Nieuwe Biologie.
Het gaat hierbij onder meer om gebieden zoals gezondheid, land- en tuinbouw, bio-diversiteit, materiaal- en energievoorziening. En juist op de raakvlakken van diverse disciplines kunnen we belangrijke innovaties verwachten. Denk hierbij bijvoorbeeld aan nieuwe terreinen als synthetische biologie en nano(bio)technologie. Samenwer-king tussen diverse partijen is en blijft dus geboden.
Nederland heeft een unieke en sterke positie in de Nieuwe Biologie door een com-binatie van internationaal toonaangevend toptalent in de wetenschap en internatio-naal gerichte, innovatieve bedrijven. In zes van de negen topsectoren werkt de Nieuwe Biologie als de motor van onze kenniseconomie: life sciences, agrofood, tuinbouw en uitgangsmaterialen, chemie, energie en water.
De tweede analyse bevestigt het beeld dat het Nederlandse biologische onderzoek hoog in de wereldtop staat, maar laat ook zien dat deze positie bedreigd wordt. De ‘gouden driehoek’ van kennisinstellingen, bedrijfsleven en overheid heeft de afgelopen tien jaar goed samengewerkt in het stimuleren van onderzoek, innovatie en kennisva-lorisatie. Toch komt op dit moment het opgebouwde momentum in de Nieuwe Biologie in Nederland stil te vallen ten opzichte van de ons omringende landen, en wel om drie redenen:
Het niveau en de groei van investeringen in wetenschappelijk onderwijs en onder-•
zoek van zowel overheid als bedrijfsleven zijn in Nederland al tien jaar lang lager dan in de meeste andere westerse landen: dit begint aantoonbaar effect te hebben op onze (nu nog) hoge wetenschappelijke output en impact
De belangstelling van studenten voor universitaire opleidingen in de Nieuwe •
Biologie is hoog en in de afgelopen tien jaar verdubbeld, hun arbeidsmarktpositie is uitstekend, maar de voor onderwijs beschikbare vaste staf is gelijk gebleven of achteruit gegaan: de opleiding van ons toekomstige toptalent wordt uitgehold De Nederlandse stimuleringsfondsen voor publiek-private samenwerking en ken-•
nisvalorisatie drogen op, juist op een moment dat de ons omringende landen en de opkomende landen in Azië extra investeren in hun kenniseconomieën: andere landen grijpen wel de kansen die de snelle ontwikkelingen in de Nieuwe Biologie hen bieden
De Nieuwe Biologie in Nederland behoort tot de wereldtop, maar heeft hoognodig •
blijvende investeringen nodig om dat niveau te handhaven.
Als derde heeft de commissie geanalyseerd in welke wetenschapsvelden binnen de Nieuwe Biologie ons land focus, massa en impact heeft. Een clusteranalyse van de publicaties van alle Nederlandse fulltime hoogleraren op het gebied van de life sci-ences leverde acht kerndisciplines binnen de Nieuwe Biologie op waarin Nederland actief is. In vijf daarvan heeft Nederland voldoende focus en massa om internationaal competitief te blijven. Bovendien behoren relatief veel Nederlandse hoogleraren in deze vijf kerndisciplines tot de internationale top van meest geciteerde biologen. Deze gebieden vormen het kloppend hart van de life sciences in Nederland:
fysiologie en neurobiologie • celbiologie en ontwikkelingsbiologie • ecologie en evolutiebiologie • microbiologie • plantenbiologie •
Deze gebieden hebben focus, massa én internationale impact; het versterken ervan zal voor Nederland, zowel wetenschappelijk als economisch, het meeste opleveren.
De analyse van zwaartepunten op instellingsniveau laat zien dat de Nieuwe Biolo-gie in Nederland al een duidelijke profilering per instelling heeft, zowel in het onder-zoek als in het onderwijs. Het is niet zo dat ‘alles overal’ gebeurt, er zijn al keuzes
gemaakt, mede als gevolg van het eerdere sectorplan Biologie: een vitaal belang en de actieve onderzoekscholen. Dat vormt een goede basis voor een verdere profilering van het onderzoek en de master-opleiding, met behoud van een brede wo-bachelor. Op grond van deze analyses geeft de commissie acht concrete aanbevelingen aan ken-nisinstellingen, bedrijfsleven en overheid, waaronder een investeringsplan van ten minste 70 miljoen euro. Als algemeen advies aan alle partijen geldt:
Erken het specifieke belang van de Nieuwe Biologie voor de Nederlandse topsectoren en wees doordrongen van de urgentie van maatregelen ter versterking van onderwijs en onderzoek, innovatie en kennisvalorisatie. Benoem hiertoe een implementatie-groep vanuit kennisinstellingen (bètafaculteiten, onderzoeksinstituten, KNAW en NIBI), onderzoekfondsen (NWO-ALW en STW), bedrijfsleven en overheid, en laat deze de investeringen en andere maatregelen implementeren in overleg met de kennisin-stellingen.
de acht aanbevelingen luiden:
Verbeter het studierendement van de biologie-opleiding door profilering en 1.
samenwerking tussen wo en hbo in voorlichting, selectie en doorverwijzing van studenten.
Behoud een brede wo-bachelor biologie, ga verder met profileren van de wo-mas-2.
ter biologie en verwante opleidingen, en maak beide aantrekkelijker voor talent-volle studenten door een brede invoering van honours-programma’s.
Maak actieve (doelgroep)benadering en communicatie een expliciet doel van de 3.
organisatie zodat het kennisniveau en de betrokkenheid bij wetenschap in de samenleving stijgt.
Investeer samen met de universiteiten via de eerste geldstroom in 100 extra 4.
tenure-track-plaatsen in de biologie- en verwante opleidingen.
Versterk met name de vijf kerndisciplines waarop Nederland focus, massa en im-5.
pact heeft.
Neem innovatie, kennisvalorisatie, maatschappelijke relevantie en ondernemer-6.
schap op in de opleiding en schakel daarbij het bedrijfsleven in.
Investeer in kennisvalorisatie door startende ondernemers via een voortzetting 7.
van het succesvolle programma LifeSciences@work.
Investeer in jong talent en apparatuur in kweekvijvers van onderzoek, innovatie en 8.
kennisvalorisatie in de vijf kerndisciplines van de Nieuwe Biologie waar Nederland focus, massa en impact heeft.
summary
In Strategic Foresight on New Biology – The Core of the Life Sciences, the Biosciences Committee of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences presents a strategic plan for biology in the Netherlands. The plan is based on three different analyses:
an analysis of the challenges and opportunities for society in the life sciences and •
how these relate to the key economic sectors of the Netherlands;
an analysis of the international position of Dutch research in biology and the poten-•
tial for maintaining and enhancing that position;
an analysis of the key priorities of Dutch research and education in biology and •
related disciplines.
The first analysis shows that the life sciences are currently in a state of rapid and dra-matic change, and that these developments have important implications for everyday life and offer enormous opportunities for the Dutch knowledge economy. They have become possible because biologists have now gained access to the building blocks of life and because the science of biology can now offer explanations and make predic-tions that have a huge impact on other scientific disciplines and areas of application. That is why scientists today refer to the 'New Biology', a cross-disciplinary science that encompasses such fields as health, agriculture, horticulture, biodiversity, and materi-als and energy supply. It is precisely at the interface between separate disciplines that we can expect to see crucial breakthroughs, for example in new areas such as synthetic biology and nanobiotechnology. Collaboration between parties is and will remain vital.
The Netherlands has a unique, robust position in the New Biology, thanks to its internationally prestigious researchers and its innovative, outward-looking enter-prises. The New Biology drives the knowledge economy in six of the Netherlands’ nine key economic sectors, i.e. life sciences & health, agro-food, horticulture and propaga-tion materials, chemicals, energy, and water.
The second analysis confirms the observation that Dutch biological research is among the best in the world, but also shows that that position is under threat. Knowl-edge institutions, enterprises and government – the 'golden triangle' – have cooper-ated closely on promoting research, innovation and knowledge valorisation in the past ten years. There is nevertheless a risk that the Netherlands will lose the momentum that it has built up in the New Biology compared with its neighbours in Europe, for three reasons:
In the past decade, government and enterprise have invested less in education and research in the Netherlands than in most other countries in the West, and growth in investment has slowed. The downward trend is starting to have a demonstrable effect on Dutch scientific output and its impact, which has been outstanding until now.
Young people are very interested in New Biology university programmes; the number of students enrolled in such programmes has doubled in the past ten years and graduates have an excellent position in the labour market, but there has not been a concomitant increase in the number of tenured teaching positions – indeed, there has even been a decline. The training of tomorrow’s top Dutch biologists is being eroded.
Dutch incentive funding for public-private partnerships and knowledge valorisa-tion is drying up precisely at a time when other European countries and emerging economies in Asia are investing more in their knowledge economies. Unlike the Neth-erlands, other countries are grasping the opportunities offered by rapid changes in the New Biology.
The Netherlands is one of the world leaders in the New Biology, but it must, cru-cially, continue to invest in this area of science if it hopes to maintain its position in the global rankings.
Finally, the Biosciences Committee analysed which disciplines within the broader field of New Biology have focus, mass and impact in the Netherlands. A cluster analysis of the publications of all Dutch full-time professors in the life sciences produced a list of eight key disciplines within the field of New Biology in which the Netherlands is active. The Netherlands has enough focus and mass in five of these disciplines to remain competitive internationally. In addition, Dutch professors in these five key disciplines comprise a relatively large proportion of the group of internationally prestigious, most-cited biologists. These disciplines can therefore be considered the core of the life sciences in the Netherlands:
Physiology and Neurobiology •
Cell Biology and Developmental Biology •
Ecology and Evolutionary Biology •
Microbiology •
Plant Biology •
These disciplines have focus, mass and international impact; reinforcing them will generate the most benefits for the Netherlands in terms of both the sciences and the economy.
Analysis of priorities at institutional level reveals that each of the institutions has already defined its approach to the New Biology, both in research and in teaching. Far from being a 'free-for-all', choices have already been made, in part owing to an ear-lier sector plan, i.e. Biology: A Vital Interest, and the work carried out by the research schools active in this area. All this has provided a sound basis for defining the relevant research and Master’s programme while retaining a broader Bachelor of Science pro-gramme.
Based on these analyses, the Committee makes eight specific recommendations to knowledge institutions, enterprises and government, including an investment plan of at least EUR 70 million. Its general advice to all the relevant parties is as follows: rec-ognise the specific importance of the New Biology for key Dutch economic sectors and acknowledge the urgent need to take steps to boost education and research, innova-tion and knowledge valorisainnova-tion; appoint an implementainnova-tion group for that purpose, comprised of representatives of knowledge institutions (science faculties, research institutes, the Academy and the Netherlands Institute of Bioscience-NIBI), research funds (NWO-ALW and STW), enterprise and government and authorise this group to implement the investment and other measures in consultation with the knowledge institutions.
the eight recommendations are:
Improve academic performance in biology study programmes by defining distinct 1.
profiles and encouraging research universities and universities of applied sciences to cooperate on providing information to students and on selecting and referring students.
Maintain a broad academic Bachelor’s Degree programme in biology, continue 2.
defining – per institution -the distinct profile of academic Master’s Degree pro-grammes in biology and related propro-grammes, and make both more appealing to talented students by introducing honours programmes across the board.
Make outreach and communication one of the explicit aims of the organisation, so 3.
that the public’s knowledge of science improves and its commitment to research increases.
Join universities in investing in one hundred extra tenure track positions in biology 4.
and related courses through the direct funding mechanism.
Concentrate on the five key disciplines in which the Netherlands has focus, mass 5.
and impact.
Make innovation, knowledge valorisation, social relevance and entrepreneurship 6.
part of the relevant programmes of study and get enterprises involved in doing so. Invest in knowledge valorisation by start-up companies by continuing the success-7.
ful LifeSciences@work programme.
Invest in talented graduates and equipment by supporting research, innovation and 8.
knowledge valorisation incubators in the five key disciplines of the New Biology in which the Netherlands has focus, mass and impact.
1. inleiding
Geen wetenschap is in de laatste dertig jaar zo veranderd als de biologie. Nieuwe onderzoekmethoden hebben onze kennis van de levende materie dramatisch vergroot op alle niveaus, van biomolecuul tot biosfeer. Men spreekt dan ook van ‘Nieuwe Biolo-gie’ omdat de biologie is doorgedrongen tot de bouwstenen van het leven en daarmee is uitgegroeid tot een verklarende en voorspellende wetenschap, een wetenschap met slagkracht. De Nieuwe Biologie is het kloppend hart van de life sciences, met een enorme uitstraling naar andere wetenschapsvelden en toepassingsgebieden. Dat is één reden waarom de 21e eeuw gedoopt is tot de eeuw van de biologie.1 De andere
reden is dat wij de Nieuwe Biologie hard nodig hebben om oplossingen te vinden voor een aantal grote maatschappelijke uitdagingen. Het gaat daarbij om gezondheid, voedselzekerheid, het verstandig gebruik van ecosystemen, inspelen op klimaatveran-dering en de overgang naar een biobased economie.
Nederland heeft een unieke uitgangspositie in de Nieuwe Biologie. Ons wetenschappe-lijk onderzoek behoort tot de wereldtop en ons land heeft in de topsectoren Life sciences, Agrofood, Tuinbouw en uitgangsmaterialen, Chemie, Energie en Water sterke, internationaal gerichte en innovatieve bedrijven. In maar liefst zes van de negen topsectoren die de overheid wil versterken werkt de Nieuwe Biologie als de motor van onze kenniseconomie.
1 De term new biology is in de jaren negentig in Amerika ontstaan. De Amerikaanse oudpresi-dent Clinton sprak al in 1997 over de komende eeuw als ‘the age of biology’. Zie verder ook het USA-NRC-rapport A New Biology for the 21st Century van september 2009.
De totale economische impact van de Nieuwe Biologie in Nederland komt hiermee op minstens 30 miljard euro per jaar, met groeicijfers die, ondanks de economische crisis, al meerdere jaren achtereen meer dan 10 procent per jaar bedragen. Hierin is de bijdrage van biologische kennis aan behoud en optimalisatie van zogenoemde ecosys-teemdiensten, de publieke en lastig in geld uit te drukken functies van ecosystemen en biodiversiteit, nog niet eens meegenomen.
Grote bedrijven zoals Avebe, DSM, FrieslandCampina, Philips, Unilever en Shell, veredelingsbedrijven zoals Bejo Zaden, ENZA Zaden en RijkZwaan, maar ook kleine bedrijven uit de ‘nieuwe economie’ zoals Crucell, Galapagos, Genetwister, Keygene, Noldus, ProSensa, en vele andere gebruiken kennis uit de Nieuwe Biologie, samen met natuur- en scheikunde voor innovatieve producten. Kennisvalorisatie kan alleen ontstaan op plekken waar topopleidingen zijn gecombineerd met toponderzoek. Voor-beelden zijn het Bio Science Park in Leiden, Food Valley in Wageningen en Energy Val-ley in Groningen. Hier ontstaat het klimaat om nieuwe vindingen te vertalen in nieuwe economische bedrijvigheid.
Dit is geen originele gedachte. De Verenigde Staten heeft zwaar geïnvesteerd in wat daar wordt genoemd new biology omdat het nieuwe bedrijvigheid oplevert. China, India, Maleisië en Singapore investeren miljarden in biologisch onderzoek en onder-wijs, om dezelfde reden. Ook Duitsland, Frankrijk, Engeland en Scandinavische landen investeren in excellent onderzoek met het oog op innovatie.
De overgang naar een biobased economie biedt enorme kansen voor wie ze kan
Agro-food Tuinbouw en uitgangsmaterialen
Water
Milieu EnergieChemie
Life sciences € 98 miljard € 14 miljard € 65 miljard € 84 miljard
Nieuwe Biologie
~5-10% ~15-25% ~5% ~10-15%Totale jaarlijkse impact: ~ € 30 miljard
Figuur 1.1 Economische en maatschappelijke impact van de Nieuwe Biologie in de top-sectoren van Nederland
echter al tien jaar achter bij die van de ons omringende landen. Veel jonge mensen herkennen biologie als een opwindend vakgebied en gaan dat studeren, maar merken vervolgens dat er in het onderwijs wordt ondergeïnvesteerd. De wereld wordt steeds competitiever, met de nieuwe spelers in onderzoek en innovatie in de gevestigde en in de opkomende economieën. Nederland staat voor een tweesprong: zijn – nu nog – toppositie als kennisland in de life sciences behouden door diepte-investeringen of de competitie verliezen en een transportland worden voor de kenniseconomieën om ons heen.
In dit licht heeft de KNAW een commissie Biowetenschappen ingesteld en deze gevraagd om een visie te formuleren op de toekomst van de Nederlandse biologie, zowel ten aanzien van onderzoek en onderwijs als ook voor innovatie en kennisvalori-satie.
Dit advies bouwt voort op het KNAW-rapport Biologie, een vitaal belang (2001), het rapport van de Onderwijsvisitatiecommissie Biologie (QANU, 2010) en op het rapport
Partners in the polder dat in 2009 verscheen. Dit laatste rapport geeft een visie op de
rol van publiek-private samenwerking in het stimuleren van innovaties op het gebied van de Nieuwe Biologie en aanverwante terreinen. Ook heeft de commissie rekening gehouden met recente ontwikkelde visies op naastgelegen wetenschapsvelden, zoals het Sectorplan Natuur- en Scheikunde (2007) en de implementatie daarvan, Agenda
2020: Visie op het aardwetenschappelijk wetenschapsveld (KNAW, 2011) en Research Review Chemistry (QANU, 2011).
Het plan dat thans voor u ligt gaat verder dan eerdere verkenningsrapporten. Mede geïnspireerd door het advies van de Commissie Veerman, richt dit plan zich op het profileren van de Nederlandse agenda op het terrein van onderzoek en onderwijs, innovatie en kennisvalorisatie in de Nieuwe Biologie, en de rol die de ‘gouden drie-hoek’ van kennisinstellingen, bedrijfsleven en overheid daarin spelen.
De commissie werd gevraagd te rapporteren in de eerste helft van 2011. Zij werd daarbij ondersteund door het bureau van de KNAW en het Nederlands Instituut voor Biologie (NIBI). De taakstelling en samenstelling van de commissie staan vermeld in bijlage A.
De commissie kwam acht maal bijeen en rapporteerde in mei 2011. Het concept-rapport is in juli 2011 onderworpen aan een anonieme review. Het commentaar van de drie referenten is verwerkt in het finale rapport.
De commissie kende een brede samenstelling uit wetenschap en bedrijfsleven, en zij heeft gezorgd voor terugkoppeling van haar ideeën met de faculteiten, industrie en andere stakeholders. De commissie heeft daarbij gemerkt dat de visie en voorstel-len in dit rapport op een breed draagvlak kunnen rekenen. Zij verwacht dan ook dat de urgentie van versterking van de Nieuwe Biologie in Nederland herkend en erkend wordt en dat haar aanbevelingen zullen worden opgevolgd.
2. de maatschappelijke
uitdagingen voor de
nieuwe biologie
Er is een grote belangstelling voor vraagstukken op het terrein van de biologie bij een breed publiek, inclusief ondernemers, beleidsmakers en ethici. Begrippen als duurzame ontwikkeling, klimaatverandering en biodiversiteit, maar ook proefdierge-bruik, stamcellen en genomics zijn gemeengoed geworden in brede maatschappelijke discussies. De resultaten van biologisch onderzoek hebben ons dagelijks leven op een ingrijpende manier veranderd en zullen dat nog veel meer gaan doen. En dat moet ook wel, want de mensheid staat deze eeuw voor enorme uitdagingen.
2.1 Gezondheid
Nederland heeft een uitstekende gezondheidszorg en behoort mede daardoor tot de landen met de hoogste levensverwachting ter wereld. De mogelijkheden van de gezondheidszorg, maar ook de kosten daarvan nemen steeds verder toe. Hoe kan de Nieuwe Biologie, samen met aanpalende wetenschapsvelden als het medisch, far-maceutisch en voedingsonderzoek bijdragen aan een doelmatige en doeltreffende gezondheidszorg en een hogere kwaliteit van leven?
Gezond oud worden
Evolutionair gezien is ons lichaam ‘ontworpen’ om zo’n veertig jaar mee te gaan. Op die leeftijd hebben we ons voortgeplant, onze kinderen opgevoed en daarmee onze genen doorgegeven. Dankzij goede hygiëne en medische zorg worden we nu veel
ouder, maar gezond oud worden is nog lastig. We krijgen last van aandoeningen die bij onze voorouders zelden voorkwamen, simpelweg doordat zij eerder en aan iets anders overleden. Preventie door een gezonde levenswijze, herkennen van genetische risico’s op aandoeningen en vroegtijdige diagnose kunnen bijdragen aan de lichamelijk en geestelijke gezondheid van ouderen.
het groningse programma lifelines
Mede door de vergrijzing van de bevolking zal het aantal chronisch zieken de komende decennia sterk stijgen en zal de behoefte aan preventie en behandelingen toenemen. Nederland heeft al veel databanken met biomedische gegevens over specifieke aandoe-ningen als astma, diabetes of nierziekten, maar er is nog steeds geen antwoord op de meest cruciale vraag: Waarom wordt de één gezond oud en krijgt de ander al op jonge
leeftijd problemen met zijn gezondheid? In het LifeLines-onderzoek van de
Rijksuniver-siteit Groningen worden personen uit drie generaties gedurende minimaal dertig jaar gevolgd op tal van levens- en gezondheidsaspecten, en elk eens in de vijf jaar uitgebreid medisch onderzocht. In dit onderzoek krijgen zij uitgebreide vragenlijsten voorgelegd over ziekten, leefstijl, gezondheid, medicijngebruik, voedingsgewoonten en dergelijke. Ook worden zaken gemeten als bloeddruk, gewicht, lengte, longfunctie, hartfunctie en bloed- en urinewaarden. LifeLines is de eerste studie die zoveel levensaspecten bij het onderzoek betrekt, van erfelijkheid en stijl van leven tot en met psychische en sociale factoren. Alleen zo’n brede aanpak kan diepgaand inzicht opleveren in het ontstaan en beloop van chronische ziekten. Dat kan resulteren in ‘voorspellers’ voor het ontstaan van ziekte en voor een gezonde levensloop. Aan de hand daarvan is straks meer te doen aan preventie en doelmatiger behandelen.
Han Olff Nieuwe ziektes
Globalisering, klimaatverandering en soms ‘stom toeval’ leiden met regelmaat tot het opduiken van nieuwe besmettelijke ziekten bij mensen, dieren en planten. Dat ‘toeval’ kan bijvoorbeeld een mutatie van een ziekteverwekker zijn waardoor die resistent wordt tegen antibiotica, of een dierziekte die ineens ook voor mensen gevaarlijk wordt. Van zulke zoönosen liggen er vele op de loer, bijvoorbeeld vogelgriep. Naast het persoonlijk leed zijn de economische gevolgen meestal enorm. Dankzij de biologie kunnen we ontrafelen hoe een ziekteverwekker ons ziek maakt, hoe hij zich verspreidt en hoe hij bestreden kan worden.
Een nieuwe aanpak van oude ziekten
‘Maar de dokters zijn zo knap tegenwoordig’ is een veelgehoorde opmerking als iemand melding maakt van een ongeneeslijke aandoening. Echter, of het nu gaat om
diabetes, auto-immuunziekten, allergieën, migraine of schizofrenie, er zijn nog vele fysieke en psychische stoornissen waar de medische wetenschap nog geen genezing kan bieden. De Nieuwe Biologie ontwikkelt samen met haar partners in de medische wetenschapen nieuwe inzichten om te komen tot een nieuwe aanpak van zulke ‘oude’ ziekten, met innovatieve behandelmethoden en effectievere medicijnen.
Gezonde voeding en de strijd tegen overgewicht
Gezond eten gaat niet alleen over het vermijden van dingen die ‘slecht voor je zijn’ zoals te veel zout, suiker en vet. Onderzoekers en voedingsindustrie ontdekken steeds meer hoe voeding actief kan bijdragen aan onze gezondheid. Voorkomen is niet alleen beter dan genezen, het zal ook helpen om de stijgende kosten van onze gezondheids-zorg te drukken.
Onze voorouders in de oertijd hadden weinig te kiezen als het om voedsel ging. Ze aten wat er zich aandiende – als er maar calorieën inzaten. Onze huidige voorkeur voor zoet, vet voedsel stamt uit die oertijd. Toen was die voedselvoorkeur heel func-tioneel, nu niet meer, met ons leefpatroon van weinig beweging en een altijd gevulde koelkast. Nu al lijdt bijna de helft van onze bevolking aan overgewicht en het RIVM verwacht een verdere toename in de komende decennia. Vooral overgewicht onder kinderen neemt alarmerend toe. Overigens komt overgewicht niet alleen in ‘rijke’ landen voor: door onevenwichtige voeding neemt het ook sterk toe in de nieuw opko-mende economieën en ontwikkelingslanden, zelfs in sub-Sahara Afrika.
Overgewicht is niet alleen een ‘uiterlijk’ probleem. Het verhoogt fors het risico op chronische aandoeningen zoals diabetes type 2, hart- en vaatziekten, motorische stoornissen en artritis. Kortom, de maatschappelijke kosten van overgewicht zijn enorm. Biologen, samen met medici, psychologen, sociologen en marketingdeskundi-gen, kunnen consumenten en voedingsindustrie helpen dit probleem letterlijk ‘te lijf’ te gaan.
2.2 Voedselzekerheid
Nederland staat internationaal in de top drie van exporteurs van landbouw- en voe-dingsproducten dankzij een hoogproductieve land- en tuinbouw en een grote, innova-tieve voedingsindustrie. Nederland zet daarbij vooral in op kennisintensieve produc-ten zoals hoogwaardig uitgangsmateriaal (zaaizaad, pootgoed en fokdieren). Niet voor niets zijn deze sectoren verheven tot topsectoren, Agrofood en Tuinbouw en uitgangs-materialen, en niet toevallig staat Nederland op deze terreinen ook wetenschappelijk in de top drie van de wereld. Welke grote maatschappelijke uitdagingen op het terrein van voeding en voedselzekerheid zijn er de komende decennia voor de biologie?
Voedselzekerheid voor een groeiende wereldbevolking
De wereldbevolking groeit naar negen miljard mensen in 2050 en zal dan langzaam weer afnemen, zo luidt de verwachting. Hoe is te garanderen dat al die mensen vol-doende en evenwichtig te eten hebben? Dat is meer dan alleen een ethisch vraagstuk, maar heeft consequenties voor migratie, economische groei en geopolitieke stabiliteit.
Meer land opofferen aan landbouw is om diverse redenen geen verstandige optie. We zullen dus efficiënter voedsel moeten produceren, met minder inputs, minder schadelijke outputs en minder verlies in de keten ‘van grond tot mond’. Nederland loopt daarin nu al voorop, met bijvoorbeeld een leidende positie in de plantenverede-ling en zaaigoedsector, de veefokkerij en schone aquacultuur. Die zijn stuk voor stuk diep geworteld in de Nederlandse landbouwwetenschappen. Dat geeft ons land een sterke uitgangspositie om nu de kennis (‘ecologische geletterdheid’) te ontwikkelen voor de hoognodige nieuwe generatie ‘slimme’ landbouw- en aquacultuursystemen die berusten op sustainable intensification. De snelle ontwikkelingen in dit topgebied bieden absoluut kansen voor Nederland.
revolutie in de plantenveredeling
De snelle evolutie in DNA-analysetechnologie leidt tot een revolutie in de plantenver-deling. De DNA-volgorde van aardappel en tomaat wordt dit jaar gepubliceerd. Het DNA van het genoom van de modelplant Arabidopsis, en van rijst, maïs, soja, populier, sorghum, luzerne, druif en komkommer is al eerder vastgesteld. Vele andere gewassen waaronder tarwe met een genoom dat 5 maal groter is dan dat van de mens, komen er aan. Bovendien wordt in hoog tempo de DNA-volgordes van plantpathogene bacteriën en schimmels en belagers als insecten vastgesteld. Voor de Nederlandse zaadveredelings-industrie is het een mijlpaal om over de DNA-volgorde van hun gewassen te beschikken en die met elkaar te kunnen vergelijken. Als zij precies weten wat de genetische basis is voor iedere eigenschap, kunnen zij veel gemakkelijker en sneller na een kruising die na-komelingen selecteren waarin zoveel mogelijk gewenste en zo min mogelijk ongewenste eigenschappen zitten. Ook kwantitatieve eigenschappen als ‘opbrengst’ kunnen dan van een genetische basis worden voorzien. Bovendien is het dan mogelijk de aanwe-zige biodiversiteit van aardappel en tomaat nauwkeurig in kaart te brengen, dus welke eigenschappen aanwezig zijn in verwanten van aardappel en tomaat die interessant zijn voor de veredelaar maar tot nu toe nog niet zijn gebruikt. Hierdoor gaan we steeds beter begrijpen welke mogelijkheden de biodiversiteit biedt voor de verbetering van gewas-sen, wat betreft opbrengst of bijvoorbeeld ziekteresistentie. Een beter inzicht in deze eigenschap zal leiden tot meer mogelijkheden om voedselzekerheid te garanderen voor een groeiende wereldbevolking.
overstromingstolerante rijst: voedsel voor miljoenen
Op wereldschaal wordt per jaar een gebied dat een oppervlak heeft van tweemaal de Verenigde Staten van Amerika geconfronteerd met overstroming. Dit heeft dramati-sche gevolgen voor de opbrengsten van landbouwgewassen die in dergelijke gebieden groeien. Zelfs rijst, stapelvoedsel voor een groot deel van de wereldbevolking, heeft maar een beperkte tolerantie voor diepe overstromingen. Recent is een gen (SUB1A) in rijst geïdentificeerd dat dit gewas aanzienlijk toleranter maakt voor overstroming. Dank-zij het SUB1A-gen gaan rijstplanten buitengewoon zuinig om met reserves waardoor ze kunnen overleven tijdens langdurige overstroming. Na de overstroming hervat de rijstplant zijn groei, en gaat hij bloeien en zaad zetten, de bron van voedsel. SUB1A maakt rijstoogsten mogelijk in gebieden die maar marginaal geschikt zijn voor rijstteelt, zelfs onder veldcondities in zuidoost Azië. Momenteel worden rijstlijnen met het SUB1A-gen verspreid onder boeren in India, Indonesië, Bangladesh en de Filipijnen, waardoor de voedselzekerheid van vele miljoenen mensen wordt vergroot.Rens Voesenek
Figuur 2.1 Een veldproef met overstromingstolerante rijstlijnen en intolerante lijnen. Op de veldjes met intolerante lijnen hebben maar weinig planten overleefd (foto gepubliceerd met toestemming van het International Rice Research Institute).
2.3 Verstandig gebruik van ecosystemen en biodiversiteit
Voor ons voedsel, veel van onze medicijnen en grondstoffen maar ook voor recreatie en toerisme, kortom voor onze kwaliteit van leven, zijn we afhankelijk van gezonde ecosystemen en biodiversiteit. Miljoenen jaren van evolutie hebben die rijkdom aan soorten en ecosystemen tot resultaat gehad. Die vertegenwoordigen een enorme eco-nomische waarde, iets dat vaak pas duidelijk wordt als het te laat is. Ook zijn er breed geaccepteerde morele en ethische redenen om ecosystemen, planten- en diersoorten voor verdwijnen te behoeden. Het Nederlandse ecologisch onderzoek staat internatio-naal in hoog aanzien. Hoe kan de biologie helpen bij het verstandig, duurzaam gebruik van ecosystemen?
Gebruik en herstel van ecosystemen en biodiversiteit
Biologen begrijpen steeds beter hoe ecosystemen functioneren en evolueren en welke rol de vele soorten planten en dieren erin spelen. Op basis van deze inzichten kunnen we met vereenvoudigde modellen het effect van ingrepen voorspellen. Bij ingrepen die kunnen leiden tot aantasting kunnen we de gevolgen beperken, bijvoorbeeld door verbindingszones voor de verspreiding van planten en dieren te creëren. Daardoor behouden populaties hun genetische variatie, een belangrijke voorwaarde voor het voortbestaan van de soort. Ook pogingen tot herstel van een ecosysteem of herintro-ductie van een verdwenen soort worden steeds vaker succesvol toegepast doordat we beter begrijpen wat we teweeg brengen in een ecosysteem.
Economische waarde van ecosystemen en biodiversiteit
Nederland is een dichtbevolkt land en dat leidt vaak tot verhitte discussies over de inrichting en de balans tussen maatschappelijke functies in het gebruik van land en water. Die keuzes worden voornamelijk door marktmechanismen bepaald, maar de publieke functies en diensten van ecosystemen en biodiversiteit zijn lastig in geld uit te drukken, hoe wezenlijk ze ook zijn voor ons leven en de leefbaarheid van onze pla-neet. De bestuiving van fruitbomen door insecten bijvoorbeeld, of het zuiveren van de lucht door bomen zijn processen die miljarden euro’s zouden kosten als ze door men-sen overgenomen moesten worden. Nu we de werking van ecosystemen en de functie van planten, dieren en micro-organismen daarbinnen steeds beter begrijpen, zijn biologen samen met economen in staat om de functies en diensten van ecosystemen en biodiversiteit in economische waarde uit te drukken, als basis voor beleidskeuzes door overheid en bedrijfsleven.
ecosysteemdiensten
Zonder het leven op aarde was deze ook niet bewoonbaar voor mensen. Voor ons voed-sel, schone lucht en drinkwater zijn we van ecosystemen afhankelijk. Ecosystemen leveren de mensheid een aantal belangrijke diensten die een grote economische waarde vertegenwoordigen. In een recente wereldwijde inventarisatie zijn vier hoofdgroepen van deze ecosysteemdiensten onderscheiden:
Voorzienende diensten
• van ecosystemen leveren ons voedsel, drinkwater, brandstof en materialen.
Regulerende diensten
• van ecosystemen zorgen ervoor dat ons klimaat stabiel blijft en verkleinen het risico van overstromingen door rivieren en de zee.
Culturele diensten
• van ecosystemen leveren ons inspiratie, recreatie en educatieve mogelijkheden.
Ondersteunende ecosysteemdiensten
• maken de voorgaande drie groepen van diensten
mogelijk door onder andere primaire productie, nutriëntenkringlopen en bodemvor-ming.
Samen leveren ecosysteemdiensten een belangrijke bijdrage aan ons leven en welzijn die een grote economische waarde vertegenwoordigen. In toenemende mate komen hierover kwantitatieve gegevens beschikbaar. De Nieuwe Biologie, samen met sociale, economische, aard- en milieuwetenschappen, helpt om dergelijke ecosysteemdiensten te herkennen en waar nodig veilig te stellen of te herstellen.
Han Olff
Bron: Millennium Ecosystem Assessment 2005. Ecosystems and Human Well-being:
Synthesis. Island Press, Washington, DC. Inspelen op klimaatverandering
Dat het op aarde warmer wordt, staat nauwelijks meer ter discussie, evenals de even-tuele gevolgen zoals een stijgende zeespiegel en extremer weer. De uitdaging is nu om de consequenties in kaart te brengen voor ecosystemen, zowel natuurlijke als door de mens gemaakte. Stijgt de landbouwproductie in Nederland door de toename van tem-peratuur en CO2-concentratie? Of wordt deze bedreigd door nieuwe ziektes en plagen?
Plaaginsecten bijvoorbeeld kunnen zich door hun korte generatietijd misschien sneller aanpassen aan de klimaatverandering dan hun natuurlijke vijanden, waardoor ze de overhand kunnen krijgen en alleen nog maar met chemische middelen kunnen worden bestreden. Biologen zullen steeds beter in staat zijn om, samen met meteorologen, de gevolgen van die klimaatveranderingen te begrijpen en te voorspellen, zodat wij er maatschappelijk op in kunnen spelen via adaptatie of mitigatie.
2.4 Overgang naar biobased chemicaliën, materialen en energie
Nederland heeft een sterke en innovatieve chemische industrie. Chemie is dan ook benoemd als topsector voor onze economie. Chemie is ook een sector die midden in de overgang zit van een ‘bruine’ economie, gebaseerd op fossiele grondstoffen, naar een ‘groene’ economie gebaseerd op hernieuwbare en milieuvriendelijke bronnen. Sommige grote chemische bedrijven zoals DSM profileren zich nu al als ‘life science industrie’ waar energieverslindende en vervuilende chemische processen worden vervangen door biologische processen. Eenzelfde overgang vindt plaats in de energie-sector. De voordelen zijn evident: minder CO2-uitstoot, minder belasting van ecosyste-men, stabielere prijzen, minder geopolitieke afhankelijkheid en voldoende grondstof-fen voor de generaties die na ons komen. Samen met de natuur- en scheikunde kan de Nieuwe Biologie ons bedrijfsleven helpen een sterke positie te verwerven in de opkomende markt van biobased chemicaliën, materialen en energie.
Biobased materialen voor een duurzame toekomst
Biobased materialen maken gebruik van hernieuwbare en milieuvriendelijke
grond-stoffen. Zulke grondstoffen bevatten bovendien vaak een rijker spectrum aan chemi-caliën en materialen dan fossiele grondstoffen zoals aardolie. Zo worden vlasvezels al gebruikt in composieten die daardoor lichter worden bij gelijke sterkte. Ook door afval en reststromen te benutten kan concurrentie met voedselgewassen worden uitge-sloten. Marginale gronden en offshorelocaties kunnen geschikt zijn voor de teelt van specifieke planten, waaronder algen. Ook wordt de efficiëntie van bioreactoren steeds hoger. Daarin maken bacteriën, schimmels, algen en zelfs sponzen heel specifieke stof-fen voor de chemische en farmaceutische industrie. Biologen, samen met chemici en technologen zien op dit terrein een schatkamer aan mogelijkheden voor onze kennis-economie.
industriële microbiologie: levende cellen als fabriek
De mensheid gebruikt micro-organismen al duizenden jaren voor de productie van gefermenteerde zuivelproducten, brood en alcoholische dranken, maar ook voor het maken van linnen en de microbiële uitloging van metaalertsen. Onze voorouders waren zich lange tijd niet bewust van het bestaan van deze micro-organismen en hun rol in deze processen. Die situatie is anno 2011 volkomen veranderd. Niet alleen begrijpen we steeds beter hoe micro-organismen functioneren, we kunnen ook steeds nauwkeuriger ingrijpen in hun genetische eigenschappen. Nederlandse onderzoekers hebben hier veel aan bijgedragen. Recent heeft samenwerking tussen Nederlandse universiteiten en industrie geleid tot het in kaart brengen van het genoom van enkele microbiële ‘werk-paarden’ zoals de schimmel Aspergillus niger (producent van industriële enzymen en van citroenzuur), Penicillium chrysogenum (producent van levensreddende antibiotica) en diverse melkzuurbacteriën (belangrijke micro-organismen voor onze zuivelindustrie). Deze genoomkennis wordt nu benut voor het verhogen van de productiviteit en duur-zaamheid van bestaande processen en voor het inzetten van micro-organismen in geheel nieuwe activiteiten. De Nederlandse kennis en infrastructuur in de industriële microbio-logie is internationaal toonaangevend en kan, bij een verstandig investeringsbeleid van overheid en industrie, in deze eeuw beslissende bijdragen leveren aan de productie van gezondere levensmiddelen en het duurzaam maken van de chemische sector.Jack Pronk
Biobased energie
Bij de overstap naar duurzame energie heeft Denemarken een leidende positie weten te veroveren in windturbines en Duitsland in zonnecellen. De Nederlandse chemie- en energiesector is bij uitstek in staat om samen met de logistieke sector (de havens van Rotterdam en Amsterdam en Eemshaven) zo’n leidende positie te verwerven in
biobased energie. We moeten daarbij niet denken aan de huidige generatie
biobrand-stoffen zoals dieselolie uit koolzaad. Deze staan ter discussie vanwege de lage efficiën-tie, concurrentie met voedsel voor menselijke consumptie en bedreiging voor natuur-gebieden door veranderingen in landgebruik. In plaats daarvan moeten we komen tot een slimme benutting van afval en reststromen. Door nieuwe technieken voor vergisting en raffinage kunnen we brandstoffen maken die binnen tien jaar kunnen concurreren met olie en gas. Biobrandstoffen met een hoge energiedichtheid bieden perspectief voor de transportsector, met name het luchtverkeer. Een andere veelbelo-vende ontwikkeling waarin Nederland voorop loopt betreft biosolar cells, zonnecellen op basis van bladgroen.
de ontwikkeling van biosolar cells
Het benutten van zonne-energie is geen uitvinding van ons, mensen, maar van bacte-riën en planten. Meer dan drie miljard jaar geleden ontstonden de eerste bactebacte-riën met bladgroen. Dit lichtgevoelige pigment zet zonlicht om in energie die vastgelegd wordt in de vorm van suikers. Dit proces wordt fotosynthese genoemd. In 2009 is een nationaal onderzoekprogramma ‘Towards BioSolar Cells’ gestart met een omvang van 40 miljoen euro, waarvan de helft uit FES-gelden. Zes Nederlandse universiteiten en meer dan twintig bedrijven werken hierin samen. Het doel is te komen tot een duurzame wijze van energieopwekking via een proces dat lijkt op fotosynthese. Nederland heeft wereldwijd een leidende positie in het onderzoek aan fotosynthese bij planten en kan daar nu op voortbouwen. Het plan is een uitstekend voorbeeld van een project waarbij via funda-menteel onderzoek gewerkt wordt aan verbetering van de productie van voedsel én biomaterialen. Het onderzoek kan leiden tot zonnecellen die ofwel elektriciteit, ofwel brandstof leveren.
Rudy Rabbinge
2.5 Ethische aspecten, risico’s en maatschappelijk draagvlak
Het maatschappelijk draagvlak voor ‘biotoepassingen’ geeft een wisselend beeld. Veel mensen zijn lid van natuur- en milieuorganisaties, gaan graag de natuur in, scheiden hun afval en kopen producten die minder vervuilend, meer ‘natuurlijk’ en diervrien-delijk zijn. Ook geeft Nederland gul aan collectebusfondsen die onderzoek steunen naar de genezing van ernstige ziekten. Maar als voor zulke innovaties biotechnologie, nanotechnologie, genetische modificatie, synthetische biologie, stamcellen of proefdie-ren nodig zijn, wordt men kritisch. Zo is er onlangs een volledig synthetisch genoom toegevoegd aan een bacterie waaruit eerst het eigen genoom was verwijderd – waar-mee dus in zekere zin artificieel leven is gemaakt. Nieuwe, krachtige technologieën brengen nieuwe risico’s met zich mee, en nieuwe ethische afwegingen. Mag alles wat kan? Hoe voorkomen we dat kennis in verkeerde handen valt? De gedragscode
biose-curity van 2007 laat zien hoe dat geregeld kan worden.2 De biologie heeft, en neemt, de
verantwoordelijkheid om zorgvuldig de risico’s in kaart te brengen en te zoeken naar veilige alternatieven.
Doordachte keuzes kunnen maken in de vele innovaties die voortkomen uit de Nieuwe Biologie, inclusief de inschatting van ethische aspecten en risico’s, vergt een voldoende kennisniveau in de samenleving. Hier ligt een taak voor de kennisinstellin-gen, samen met KNAW, NWO en NIBI, om de samenleving te ‘voeden’ met zinvolle en toegankelijke communicatie over wetenschappelijke ontdekkingen en hun consequen-ties. Van belang is daarom ook dat leerlingen, met name in het voortgezet onderwijs, een goed beeld krijgen van de Nieuwe Biologie en de innovaties die daaruit voortko-men. Ook dat is een taak voor biologen, in goede samenwerking met onderwijs- en voorlichtingskundigen. Ook zouden wo-masterstudenten, via een voortzetting van het programma Akademie-assistenten, hierin een rol kunnen spelen. Dit kan het draagvlak voor onderwijs, onderzoek en innovaties in de Nieuwe Biologie vergroten en de beeld-vorming over de biologie-opleiding verbeteren; het is bovendien een morele plicht van de wetenschap.
aanbeveling voor de kennisinstellingen
Maak actieve (doelgroep)benadering en communicatie een expliciet doel van de orga-nisatie zodat het kennisniveau en de betrokkenheid bij wetenschap in de samenleving stijgt.
nieuwe examenprogramma’s biologie
In 2013 zullen waarschijnlijk nieuwe examenprogramma’s biologie voor havo en vwo worden ingevoerd. De Commissie Vernieuwing Biologie Onderwijs heeft de afgelopen jaren in opdracht van OCW nieuwe examenprogramma’s ontwikkeld, op basis van een concept-contextbenadering. vwo-leerlingen krijgen daardoor een programma aange-boden dat zich vooral richt op wetenschappelijke contexten en die beroepscontexten waarvoor een academische opleiding is vereist. Structurerende concepten en maat-schappelijke thema’s als duurzaamheid, voeding, energie en gezondheid, waarin de ge-kozen concepten relevant zijn, zijn in de eindtermen van de nieuwe examenprogram-ma’s opgenomen. De bedoeling is dat de leerlingen daardoor een goed beeld krijgen van de Nieuwe Biologie en het wetenschappelijke karakter van de biologie-opleiding. Een conceptversie van de nieuwe examenprogramma’s is door docenten van een aantal pilotscholen in de klassenpraktijk uitgewerkt en getest in experimentele examens. Externe evaluatie van het experiment laat zien dat de relevantie van het nieuwe pro-gramma door leerlingen en docenten positief wordt gewaardeerd.
Kerst Boersma
de nieuwe biologie in criminaliteitsbestrijding
Op vele terreinen wordt nieuwe biologische kennis gebruikt in de bestrijding van crimi-naliteit. Bewijs op grond van DNA-sporen is niet meer weg te denken in de rechtszaal en wordt steeds verder verfijnd. Onderzoek aan insecten op de ‘plaats delict’ kan tijdstip en toedracht van het misdrijf ophelderen. Irisscans, herkenning van spraak en andere lichaamskenmerken helpen bij de identificatie van personen.
Maatschappelijk is er ook grote aandacht voor genetische en psychologische achtergron-den van criminaliteit. Onze toenemende kennis van het brein en de gedragsbiologie (de ingewikkelde relatie tussen nature en nurture bij het ontstaan van ons karakter en gedrag), zal ook kunnen bijdragen aan de preventie en bestrijding van criminaliteit. Gezien de ethi-sche aspecten die hieraan kleven, is het extra belangrijk dat dit fundamentele onderzoek met grote gedegenheid en verantwoordelijkheidsbesef gedaan wordt.
Leen van den Oever
conclusie
De Nieuwe Biologie helpt ons oplossingen te vinden voor een aantal grote maatschap-pelijke uitdagingen. Nederland kan die uitdagingen aan met zijn combinatie van sterke kennisinstellingen en innovatief bedrijfsleven.
gedragsbiologie
Het gedrag is van alle levensfuncties de allesomvattende en meest complexe uiting. Met een verscheidenheid aan gedragsprogramma’s bewerkstelligt het dier dat het zich ontplooit, in leven blijft en tot voortplanting komt. Daarbij moet het een actief antwoord geven op de vele mogelijkheden en uitdagingen, die de omgeving biedt. De vergelijkende gedragsbiologie onderzoekt de structuur, de veroorzaking en de functie van gedrags-programma’s die het dier ontwikkelt. Die complexiteit zien we met name bij ‘ons soort dieren’ (de zoogdieren), maar ook de vogels. Toch heeft het vergelijkend gedragsonder-zoek (of ethologie) vele fundamentele inzichten ontleend aan de bestudering van – op het eerste gezicht – eenvoudige dieren, zoals insecten en vissen. Zo heeft de Nederlandse pionier Gerard Baerends met zijn onderzoek aan de organisatiestructuur van het com-plexe voortplantingsgedrag van de sluipwesp Ammophila campestris in de jaren vijftig van de vorige eeuw de basis gelegd voor het inzicht dat het in de biologie niet alleen gaat om het analyseren van afzonderlijke processen, maar dat de meest boeiende vraag is hoe die processen in onderlinge afstemming en wisselwerking een adaptief geïntegreerd systeem van functies vormen. Dit is een inzicht dat momenteel breed doordringt onder de term ‘systeembiologie’. De bakermat van de vergelijkende gedragsbiologie heeft voor een belangrijk deel in Nederland gelegen (Leiden met de latere Nobelprijswinnaar Niko Tinbergen; Groningen met Gerard Baerends).
Dieren mogen ‘cognitiever’ zijn dan we dachten, wij mensen lijken ‘instinctiever’ te zijn dan sommigen van ons wellicht lief is. Ook de mens blijkt gestuurd te worden door oeroude motivationele systemen, evolutionair aangepaste geneigdheden, met name in ons sociale gedrag en onze sociale relaties. Vergelijkingen met onze naaste verwanten, de andere primaten, laten ons treffende overeenkomsten zien, maar onthullen ook specifieke eigen-geaardheden van onze soort. Dit dringt in brede kring door via het werk van, onder anderen, onze wereldberoemde landgenoot Frans de Waal (uit de toenmalige Utrechtse school).
Een en ander weerspiegelt zich in een groeiende belangstelling voor evolutionaire perspectieven vanuit de humane psychologie (bijvoorbeeld in het werk van de groep van Bram Buunk in Groningen).
3. van biologie naar
nieuwe biologie
3.1 Van beschrijven naar verklaren en voorspellen
Tot zo’n dertig jaar geleden bleven verklaringen voor waargenomen fenomenen in de biologie vaak aan het oppervlak. Weliswaar had de biologie al heel lang als ‘rode draad’ de evolutie, een krachtig en uniek concept, maar planten, dieren en mensen bleven een zogenaamde black box waar we niet in konden kijken. Daardoor bleven veel fenomenen onbegrepen en was toepassing vaak een kwestie van trial and error. Daar is een enorme verandering in gekomen dankzij de opkomst van de moleculaire bio-logie en vele nieuwe onderzoekstechnieken, veelal ontleend uit de natuur- en schei-kunde, wiskunde en informatica. Dank zij supersnelle DNA-sequencers, geavanceerde elektronenmicroscopen, MRI-scanners, massaspectrometers voor eiwitidentificatie en andere apparaten gekoppeld aan bio-informatica analysesoftware en data-opslagmo-gelijkheden kunnen we nu zichtbaar maken wat we vroeger niet konden waarnemen. We zijn doorgedrongen tot de bouwstenen van het leven en zetten zelfs de eerste stappen in de synthetische biologie, het ‘bouwen’ van biomoleculen, weefsels, organen en organismen. Moleculaire biologie is sterk geïntegreerd geraakt met traditionele biologische disciplines zoals plantenbiologie en ecologie. Toch is het nog lastig om het functioneren van het geheel (organismen, ecosystemen) te begrijpen, want in levende systemen is het geheel meer dan de som der delen. De Nieuwe Biologie is steeds meer gaan werken met kwantitatieve, voorspellende modellen. Daardoor is onze kennis, en vooral ons begrip, in de afgelopen decennia enorm toegenomen en begrijpen we steeds beter hoe evolutie in zijn werk gaat. Er is nog heel veel onderzoek nodig, maar de agenda voor de gouden eeuw van de biologie wordt steeds duidelijker.
Figuur 3.1 Karakterisering van de verschillen tussen de Nieuwe Biologie en de klassieke biologie. Belangrijke kenmerken van de Nieuwe Biologie zijn: uitbreiding van het aantal organisatieniveaus dat bestudeerd wordt, en zowel reductionistisch/mechanistisch onderzoek (van hoge naar lage organisatieniveaus) omvat als synthetisch/integrerend onderzoek (van lage naar hoge organisatieniveaus). Die integratieve benadering over meerdere organisatieniveaus wordt ook wel systeembiologie genoemd.
ons genoom ontsluierd
Een voorbeeld van de stormachtige ontwikkelingen in de Nieuwe Biologie is de ontrafe-ling van het menselijk genoom. De chemische structuur van DNA, de drager van onze erfelijke aanleg, was al beschreven in 1953, maar het in kaart brengen van het menselijk genoom kon pas worden voltooid in 2003 dankzij nieuwe, high-throughput-analysetech-nieken en bio-informatica. Kostte het in kaart brengen van een individueel genoom tien jaar geleden nog miljoenen dollars, we zijn nu op weg naar het thousand dollar genome. Wereldwijd zijn wetenschappers momenteel bezig de functie van die duizenden genen te onthullen: welke biomoleculen maken ze en wat ‘doen’ die in ons lichaam? Het vinden van de functie van alle genen en hun wisselwerking is nog een enorme en tijdrovende klus, maar met die kennis kunnen we op termijn voorspellen of iemand aanleg heeft voor bepaalde aandoeningen zodat deze op tijd kan beginnen met preventieve maatregelen. Ook zal de nieuwe kennis ons in staat stellen veel specifiekere medicijnen te maken met minder bijwerkingen. Geen ‘schot hagel’ meer zoals de huidige chemotherapie bij kanker, maar persoonsgerichte en gelokaliseerde medicatie.
Stanley Brul & Sjaak Neefjes
3.2 Disciplinaire grenzen vervagen
In de afgelopen decennia zijn biowetenschappen in een stroomversnelling geraakt, waarbij de grenzen met andere wetenschapsvelden vervagen en nieuwe interdiscipli-naire velden ontstaan. De uitstraling vanuit de biologie naar medische wetenschappen,
Klassieke biologie Nieuwe Biologie
levensgemeenschap, ecosysteem organisme genoom, cel Zoektocht naar mechanismen en bouwstenen op lagere niveaus van organisatie Zoektocht naar synthese/integratie van mechanismen en bouwstenen naar hogere niveaus van organisatie mondiale biosfeer levensgemeenschap, ecosysteem organisme genoom, cel molecuul, gen
landbouw- en voedingswetenschappen, milieu- en aardwetenschappen is enorm toegenomen. Natuur- en scheikunde zijn zich steeds meer gaan interesseren voor ‘levende materie’ en kiezen steeds vaker objecten uit de levende natuur als onderwerp van studie. Dat heeft geleid tot nieuwe interdisciplines zoals nanobiologie en chemi-sche biologie naast de inmiddels klassieke biofysica en biochemie. Ook met de sociale wetenschappen kent de Nieuwe Biologie verbindingen; een voorbeeld is de gedrags-biologie waarin gepoogd wordt gedrag (van mensen en dieren) te verklaren vanuit psychologische én (neuro)biologische principes.
Door de vervlechting met deze nieuwe velden is de Nieuwe Biologie veel beter in staat te verklaren en te voorspellen, wat weer leidt tot nieuwe toepassingen – weten-schap met slagkracht. Innovatie is niet meer denkbaar zonder samenwerking tussen wetenschapsgebieden, waarbij tegelijk de klassieke grenzen tussen fundamenteel en toegepast onderzoek verdwijnen. De Nieuw Biologie vormt zo het kloppend hart van een veel breder veld van wetenschappen dat vaak wordt samengevat onder de term ‘life sciences’.
Figuur 3.2 De Nieuwe Biologie heeft een enorme uitstraling naar andere wetenschapsvel-den en naar toepassingen. Dat komt enerzijds doordat van oudsher toepassingsgerichte wetenschapsvelden zoals geneeskunde en landbouwwetenschappen steeds vaker voor hun fundamentele vragen te rade gaan bij de Nieuwe Biologie, anderzijds doordat we-tenschapsvelden zoals natuur- en scheikunde levende systemen zijn gaan bestuderen.
Moleculaire biologie Genetica Mariene biologie Plantenbiologie Evolutiebiologie Microbiologie Ecologie Chemie Water Neurobiologie Gewasfysiologie Ecotoxicologie Productie-ecologie Informatica Sociobiologie Biochemie Taxonomie Biogeologie Biofysica Biomedische wetenschappen Techniek Farmacie Medische wetenschappen Bioinformatica Electrotechniek
Diergeneeskunde Waterbouwkunde Aardwetenschappen
Informatie- & communicatietechnologie
Kerndisciplines Nieuwe Biologie Interdiscliplinaire velden van de biologie samen met aanpalende wetenschapsvelden
Aanpalende wetenschapsvelden Economische topsectoren en andere maatschappelijke prioriteiten
Dierfysiologie
Ecohydrologie
Celbiologie Ontwikkelingsbiologie Biotechnologie
Bodembiologie Zoölogie Plantenziektekunde Milieuwetenschappen Landbouwwetenschappen Economie Sociologie Natuurkunde Life sciences Gezondheid Ecosystemen en biodiversiteit Agrofood Tuinbouw en uitgangsmaterialen Chemie Energie Klimaat Gedragsbiologie Nanobiologie
de boom van het leven
Door onze voortschrijdende kennis van de bouwstenen van het leven, met name de vol-ledige DNA-sequenties van een toenemend aantal organismen, krijgen we steeds beter inzicht in de samenhang van het leven en de manier waarop die rijkdom aan vormen is geëvolueerd. Hierbij zijn radicaal nieuwe inzichten ontstaan in de stamboom van het leven, het ontstaan van tweezijdig symmetrische dieren en de plaats van de primaten (waaronder de mens) binnen de zoogdieren. Evolutiebiologie en genoombiologie zijn tezamen een belangrijk organiserend principe geworden in de hele biologie. Kennis over het genoom van dieren op gedefinieerde afstanden in verwantschap met de mens helpt ons daardoor ook bij het begrijpen van het genoom van de mens.
Tegelijkertijd heeft de reconstructie van de boom van het leven ons doen beseffen hoe nietig wij zijn in het geheel van de rijkdom aan soorten. Direct na het ontstaan van de eu-karyoten (organismen met een celkern), 1 tot 2 miljard jaar geleden, is er een geweldige uitwaaiering van nieuwe evolutionaire lijnen ontstaan waar we nu vijf hoofdlijnen in kunnen herkennen (zie figuur 3.3). In een van die hoofdlijnen treffen we de dieren aan, tussen de slijmzwammen en de schimmels. Evolutiebiologen nopen ons tot bescheiden-heid als het gaat om onze positie in het evolutionaire systeem: dieren (en mensen) zijn maar een klein takje aan de boom van het leven.
Nico van Straalen
Figuur 3.3 De boom van het leven volgens de nieuwste inzichten, verkregen dankzij DNA-onderzoek.
het systeem aarde
Niet alleen op moleculair niveau maar ook aan de andere kant van de schaal, in de biosfeer, begrijpen we steeds meer van het complexe systeem dat aarde heet. Remote
sensing met behulp van satellieten heeft ons letterlijk ruimtelijk inzicht gegeven in
aan-vulling op het klassieke veldwerk. Nieuwe concepten en supercomputers stellen ons nu in staat om onderzoeksgegevens die over tientallen jaren en over duizenden kilometers zijn verzameld, te integreren tot verklarende modellen. Die modellen beschrijven steeds beter de interacties tussen atmosfeer, oceanen, landoppervlak en ijs, en hun effect op het klimaat. Vervolgens kunnen ecologen met hun modellen de consequenties van klimaat-veranderingen in kaart brengen voor planten, dieren en mensen. We kunnen daarmee bijvoorbeeld op regionale schaal de effecten van klimaatverandering gaan voorspellen. Wordt het straks in Nederland droger of juist natter? Komen er mildere of juist strengere winters? Geleidelijk aan komen we daarover steeds meer te weten zodat we er beter op in kunnen spelen. Dan kunnen we ons op tijd beschermen tegen het water of tegen oprukkende ziekten, maar ook kansen benutten zoals de teelt van nieuwe landbouwge-wassen.
Huub de Groot
3.3 De onderzoekagenda van de Nieuwe Biologie
Meer dan in andere wetenschappen zijn de kernvragen die biologen drijven, herken-baar voor een breed publiek omdat zij antwoord geven op de meest fundamentele vragen van ons bestaan. Hoe is het leven in al zijn diversiteit ontstaan? Hoe ontwikkelt een baby zich van één bevruchte eicel tot een complex individu? Waardoor denken onze hersenen?
De Nieuwe Biologie is enorm breed en reikt letterlijk van biomolecuul tot biosfeer, van het heel kleine tot het heel grote. Systeembiologie wordt terecht vaak genoemd als de methode om de complexe processen binnen cellen, organismen en ecosystemen te begrijpen, waarbij verschillende naastgelegen schaalniveaus worden geïntegreerd in verklarend modellen. Het geheel is immers meer dan de som der delen en zo probeert de Nieuwe Biologie antwoord te vinden op kernvragen zoals:
Binnen het organisme:
Hoe stuurt het genoom het bouwplan, de ontwikkeling en het functioneren van een •
organisme?
Hoe werken communicatie en regulatie in en tussen cellen en organen? •
Hoe ontstaan er in het brein van mensen en dieren emergente eigenschappen zoals •
emoties, geheugen en zelfbewustzijn? Het leven in zijn omgeving:
Hoe neemt een organisme veranderingen in zijn omgeving waar en hoe kan het •
zich daaraan aanpassen, op de korte en op de lange (evolutionaire) termijn? Hoe functioneren en evolueren populaties en ecosystemen en welke interne en •
systeembiologie en de voedingspraktijk
De reductionistische aanpak van de klassieke biologie in het verleden heeft ons vele in-zichten gegeven, maar het is ook duidelijk dat deze benadering tegen grenzen aanloopt. Biologische functies worden meestal niet gereguleerd door één maar door meerdere processen die elkaar ook nog eens onderling beïnvloeden. Tot voor kort konden biologen daar nauwelijks mee uit de voeten.
Een belangrijke ontwikkeling in de Nieuwe Biologie is daarom de systeembiologie. Hierin wordt een biologisch systeem beschreven als een complexe set van processen waarbij de bijdragen van de afzonderlijke processen ten opzichte van elkaar goed zicht-baar gemaakt kunnen worden. Daarmee zijn we beter in staat om voorspellingen te doen over de effectiviteit van een ingreep in een systeem.
Een goed voorbeeld van hoe deze ontwikkeling tot innovaties kan leiden is het gebied van voeding in relatie met gezondheid. De afgelopen jaren heeft het voedingsonderzoek zich geconcentreerd op het vinden van ingrediënten die specifiek op één bepaald proces in het lichaam ingrijpen: functional foods. Deze farmaceutische benadering is echter grotendeels mislukt! Het is vrijwel onmogelijk gebleken om individuele ingrediënten te vinden die, zonder bijwerkingen, een gezondheidbevorderend effect vertoonden. Dit is (achteraf gezien) niet zo vreemd aangezien het lichaam zich niet zo gemakkelijk laat manipuleren en manieren heeft om de effecten van deze voedingsinterventies te com-penseren. Systeembiologie geeft ons nu de mogelijkheid voor een multi-target-aanpak: door alle of meerdere belangrijke mechanismen licht te beïnvloeden hebben we een veel grotere kans om tot meetbare en functionele interventies te komen. Op deze manier kan de systeembiologie een nieuwe impuls geven aan innovatie in de voedingssector.
Emmo Meijer
conclusie
De Nieuwe Biologie is uitgegroeid tot een verklarende en voorspellende wetenschap, een wetenschap met slagkracht en uitstraling naar vele andere wetenschapsvelden en toepassingsgebieden.
4. nieuwe biologie in
nederland
4.1 Onze internationale positie
Het Nederlandse onderzoek, zeker ook in de Nieuwe Biologie, staat internationaal in de top, gemeten naar impact en productiviteit.3 Een positie waar we trots op mogen
zijn en die de basis vormt voor onze kenniseconomie.
Toch investeren Nederlandse overheid en bedrijfsleven momenteel tezamen slechts 1,7 procent van ons bruto nationaal product in onderzoek. Dat is lager dan in de meeste westerse landen. In de eerste plaats kunnen we hieruit concluderen dat de Nederlandse wetenschap, gezien zijn hoge prestaties, uiterst doelmatig met het beschikbare geld omgaat. Maar in de tweede plaats moeten we ons ernstig afvragen of we zo wel in staat zijn onze toppositie vast te houden. De groei in die investeringen is niet alleen op dit moment het laagst van alle westerse landen, dit is al tien jaar lang zo.
Kennisinstellingen en het bedrijfsleven hebben afgelopen jaren en maanden her-haaldelijk gewaarschuwd dat de lage Nederlandse investeringen een negatief effect gaan hebben op ons onderwijs en onderzoek. Nu beginnen de effecten inderdaad zichtbaar te worden:
Volgens het meest recente NOWT-rapport
• 4 heeft Denemarken ons recent ingehaald
in wetenschappelijke impact. In een vergelijking met eerdere NOWT-rapporten constateert het rapport van 2010: ‘Nieuw is wel dat de Nederlandse goede weten-schappelijke prestaties enigszins onder druk lijken te staan. Dit is een opmerkelijke trendbreuk en wellicht een teken dat het Nederlandse onderzoeksbestel aan inter-nationale concurrentiekracht inboet.’
