Ga direct naar: Hoofdnavigatie | Inhoud | Zoeken | Servicemenu

Revolutie in DNA-wereld

Wetenschappers herschrijven het DNA van levende cellen met een nieuw eiwitschaartje. Medische doorbraken, efficiëntere landbouw en designer baby’s. Het zou allemaal kunnen met Crispr. “De techniek is er. We moeten nadenken welke kant we op willen.”

Dr. Stan Brouns: “Het werk aan Crispr is absoluut Nobelprijswaardig.” (Foto: Sam Rentmeester)
Dr. Stan Brouns: “Het werk aan Crispr is absoluut Nobelprijswaardig.” (Foto: Sam Rentmeester)

Ze ontketenden stuk voor stuk wetenschappelijke revoluties. Met de PCR-machine (polymerase chain reaction) konden onderzoekers vanaf 1985 kleine hoeveelheden DNA kopiëren en analyseren. Eind jaren negentig kwamen de DNA-micro-arrays, chips die de activiteit maten van duizenden genen. In 2001 was het totale genoom van de mens bekend.

En nu is er het DNA-schaartje Crispr. Genetische modificaties die jaren werk vergden, zijn daarmee binnen enkele weken gepiept.

Het microscopische knip- en plakinstrument is een eiwit uit bacteriën. Een dodelijk wapen eigenlijk. Clustered regularly interspaced short palindromic repeats heet het voluit. "Bacteriën gebruiken het om zichzelf te beschermen tegen virussen", vertelt bionanotechnoloog dr. Stan Brouns (faculteit Technische Natuurwetenschappen).

Het microbiële verdedigingsmechanisme blijkt een geweldig instrument in het laboratorium. Je kunt het eiwit gericht naar een bepaalde plek in het DNA van een mens, gist, of wat voor organisme dan ook sturen door het vooraf te koppelen aan een stukje gids-RNA; een kopie van een stuk virus-gen. Met het schaartje kun je genen verwijderen en je kunt anderen toevoegen, daar waar je de knip hebt gezet.

Aan de TU Delft doen de microbiologen prof. Jack Pronk en ir. Robert Mans dat naar hartenlust (zie kader 'Sleutelen aan gist').

Slimme toepassingen

Ir. Robert Mans slaagde er onlangs in om met Crispr in één keer zes genen in bakkersgist plat te leggen. (Foto: Sam Rentmeester)
Ir. Robert Mans slaagde er onlangs in om met Crispr in één keer zes genen in bakkersgist plat te leggen. (Foto: Sam Rentmeester)

In 2012 slaagde de truc voor het eerst. Sindsdien volgen de toepassingen elkaar snel op. Een kleine greep. Onderzoekers ontwikkelden gemanipuleerde malariamuggen die – zo is de hoop - hun soortgenoten kunnen uitroeien. Anderen presenteerden een varken met menselijke genen die mogelijk organen kan doneren.

Bestrijding van de bloedziekte sikkelcel-anemie kan waarschijnlijk ook met het schaartje. "En vorige maand zijn klinische trials in mensen gestart om te testen of met Crispr aangepaste immuuncellen kankercellen aanvallen", zegt Brouns enthousiast.

Biotechnoloog Brouns is een Crispr-pionier. Hij werkt al sinds 2006 aan het eiwit, toen dit nog maar net op het netvlies van de wetenschap stond. Eerst deed hij dat in Wageningen, en sinds juni dit jaar aan de TU Delft. Dit jaar volgde hij met extra belangstelling de bekendmaking van de Nobelprijs voor Fysiologie en Geneeskunde. De ontdekkers van het wonderschaartje waren een grote kanshebber voor de prijs. Uiteindelijk ging de Nobelprijs naar de Japanner Yoshinori Ohsumi voor zijn onderzoek naar autofagie. "Maar het gaat er nog van komen", zegt Brouns. "Het werk aan Crispr is absoluut Nobelprijswaardig."

In 2008 legden Brouns en zijn Wageningse collega prof. John van der Oost het verdedigingsmechanisme van Crispr bloot. Ze schreven in Science dat de eiwitten vijandig virus-DNA herkennen aan de hand van RNA-kopietjes. Bij een match plakt het eiwit aan het virus-genoom en knipt het stuk. Een beetje zoals ons eigen lichaam ziekteverwekkers bestrijdt met T-geheugencellen, de witte bloedcellen van het immuunsysteem. De onderzoekers beschreven een cruciaal afweermechanisme van de bacterie en legden de basis voor de ontwikkeling van het knip- en plaksysteem dat enkele jaren later zo populair zou worden in laboratoria over de hele wereld.

"Het was een spannende tijd", zegt Brouns. "Even leek het erop dat we waren gescoopt door een yoghurtfabrikant."

Dat Crispr-eiwitten iets met het bacteriële immuunsysteem van doen hadden, toonde yoghurtfabrikant Danisco aan in 2006. Het bedrijf kampte met een virusinfectie in een fermentatievat in Frankrijk. Het ontdekte dat sommige bacteriën resistent waren en dat deze cellen stukjes DNA gemeenschappelijk hadden met de virussen. Het was goed voor een Science-publicatie. Een opmerkelijke prestatie voor een yoghurtboer.

Nobelprijswaardig
"Gelukkig waren er nog veel vragen. Had dit bacteriële immuunsysteem een geheugen, werkte het tegen RNA van DNA-virussen of tegen het DNA zelf? Daarover stond niets in het artikel." Brouns en Van der Oost gingen met deze vragen aan de slag.

"Wij ontdekten dat er een hele cascade aan eiwitten actief is. Daarom spreken we ook wel over Crispr associated proteins (Cas). Binnen het Crispr-Cas-systeem zijn sommige eiwitten betrokken bij geheugenvorming, anderen bij de afbraak van virus-DNA, weer anderen bij de aanmaak van de stukjes gids-RNA."

"Verdienen we met onze ontdekking de Nobelprijs?" Brouns moet lachen om de suggestie. Die eer komt volgens hem toe aan microbioloog Emmanuelle Charpentier van het Max Planck Instituut voor infectiebiologie in Berlijn, en biochemicus Jennifer Doudna van de Berkeley-universiteit. "Zij onderzochten na onze ontdekking het bijzondere eiwit Cas9, een eiwit dat – zo bleek later - in staat is om zowel te plakken aan een herkenningspunt als te knippen. Vooral Doudna is toen helemaal los gegaan. In enkele jaren tijd publiceerde haar lab tientallen artikelen in Science en Nature. Het tempo en de kwaliteit van die onderzoeken waren enorm", verzucht Brouns. "Niemand kon haar bijhouden."

Charpentier had de Nederlanders in 2010 gevraagd of zij biochemisch onderzoek konden doen aan Cas9. Dat aanbod sloegen ze af. "Ik heb geen spijt van die keuze", zegt Brouns. "We konden simpelweg niet op het verzoek ingaan. In die tijd, toen Crispr nog een curiositeit was, hadden we het geld en de mankracht niet om er nog een onderwerp bij te pakken."

Dit jaar maakte Brouns de overstap naar de TU Delft. "Binnen de afdeling bionanoscience werken vijftien groepen met verstand van geavanceerde microscopie. We kunnen hier kijken naar de werking van afzonderlijke moleculen."

"Ik werk nu specifiek aan de geheugenvorming van het Crispr-Cas-systeem. Hoe bouwt het eiwit DNA-kopietjes waarmee hij virus-DNA herkent? Maakt hij wel eens fouten waardoor hij tegen zichzelf tekeer gaat en er auto-immuniteit ontstaat? En wat voor ontsnappingsmogelijkheden hebben de virussen? Zij kunnen muteren waardoor ze onherkenbaar worden voor de verdedigingseiwitten. Er is een continue wedloop."

Ethische vragen

Prof.dr. Jack Pronk: “Onderzoekers verruilen hun pipetten voor computers, robots klussen het DNA vervolgens in elkaar.” (Foto: Sam Rentmeester)
Prof.dr. Jack Pronk: “Onderzoekers verruilen hun pipetten voor computers, robots klussen het DNA vervolgens in elkaar.” (Foto: Sam Rentmeester)

Een soort wedloop is ook gaande tussen wetenschappers die voluit willen werken aan de technologie, en anderen die een meer afwachtende houding aannemen.

Crispr roept namelijk veel ethische vragen op. Wanneer je genetische wijzigingen aanbrengt in menselijke embryo's voer je veranderingen door die generatie op generatie worden doorgegeven. Je verandert de mensheid. Zo kun je bepaalde genetische aandoeningen heel effectief bestrijden, zeggen voorstanders.

Maar hoe zit het met mogelijke bijwerkingen? En waar ligt de grens? Kun je mensen creëren met een hoger IQ, een soort Übermensch? Is dat wenselijk? Teveel vraagtekens. Er is daarom een moratorium ingesteld op het gebruik van de techniek op menselijke embryo's.

China houdt zich daar niet aan. Aan de Sun Yat-Sen-universiteit in Guangzhou sleutelen wetenschappers aan menselijke embryo's. Ze probeerden ze vorig jaar te ontdoen van de erfelijke bloedziekte bèta-thalassemie. De Chinezen waren niet van plan om de embryo's uit te laten groeien. Toch leidde het nieuws tot veel discussie.

Rem op ontwikkelingen
"Hoe ik hier tegenover sta? Er is een groot grijs gebied", zegt Brouns. "Het creëren van Übermenschen klinkt beangstigend, maar het genezen van een mens kan wel op steun rekenen. Een technologie uitsluiten waar we honderden of duizenden jaren mee vooruit kunnen, vind ik onverstandig."

"Het is een kwestie van tijd voordat we kunnen inspelen op intelligentie. We moeten goed nadenken of we die richting op willen", vervolgt Brouns. "De technologie is er. En ik denk dat sommige landen geen rem zetten op dit soort ontwikkelingen."

De meningen hierover lopen wijd uiteen. Volgens Sef Heijnen, de onlangs afgezwaaide hoogleraar biotechnologie,, loopt het zo'n vaart niet. "De technologie kent limieten. Auto's en vliegtuigen kunnen we grotendeels in de computer ontwerpen. Het verschil is dat je bij levende cellen te maken hebt met toevalsprocessen. Nadat je een genetische aanpassing maakt in een embryonale fase, ontwikkelen cellen zich tot verschillende weefsels. Toevallige mutaties spelen dan een grote rol. Daar kunnen we niets aan doen. Ik denk dat we geen grip krijgen op eigenschappen die van veel genen afhankelijk zijn, zoals intelligentie. Volgens mij kunnen we nooit designer baby's maken."

Sleutelen aan gist

De industriële microbiologen prof.dr. Jack Pronk en ir. Robert Mans (TNW) pimpen met Crispr onder andere de stofwisselingsprocessen in bakkers- gist op. Zo proberen ze gist e ciënter de houtachtige suiker xylose te laten verteren en om te laten zetten in bio- brandstof.

"Sleutelen aan de stofwisseling ge- beurde dertig jaar lang met enzymen die in een reageerbuisje DNA knipten en plakten, de zogenaamde restrictie- enzymen en ligases", zegt Pronk. "Dat waren tergend trage processen. Crispr brengt het onderzoek in een enorme stroomversnelling. We werken al acht jaar aan xylosevergisting. Al de geneti- sche wijzigingen die we in die tijd heb- ben doorgevoerd, heeft een van onze promovendi met Crispr in een week voor elkaar gekregen."

Dit kan doordat je met Crispr verschil- lende veranderingen tegelijkertijd kunt aanbrengen. Mans slaagde er on- langs in om met Crispr in één keer zes genen in bakkersgist plat te leggen. "Zoveel genen tegelijk veranderen in een gist, dat had nog niemand gepres- teerd", zegt Pronk. "Een record." Pronk verwacht dat de werkpaarden van de moderne microbiologie, zoals de bacterie E. coli en bakkersgist, het drukker zullen krijgen. "Men heeft ze- ventig jaar lang stamveredeling ge- daan om penicillineproductie met de schimmel penicillium chrysogenum te verhogen tot de huidige niveaus. Voor nieuwe producten pakken we dit nu anders aan. Als we een organisme vin- den dat een bepaald sto e maakt, dan kunnen we de genetische code daar- voor vaak direct in een robuust orga- nisme als bakkersgist testen."

"Er is nu al een trend dat biotechnolo- gie meer wordt geautomatiseerd. Het ontwerpen en bouwen van stofwisse- lingsnetwerken in micro-organismen vergt steeds minder menselijke inter- ventie. Er bestaan robots die duizen- den genetische modi catie-experi- menten tegelijk doen. Onderzoekers verruilen hun pipetten voor compu- ters, waarachter ze met handige pull- down menu's DNA-fragmenten kiezen en combineren. Robots klussen het DNA vervolgens in elkaar."