Revolutie in DNA-wereld

Slimme toepassingen

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

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.”