Extra chromosoom brengt gist op hoger niveau

De verdiensten van bakkersgist zijn moeilijk te overschatten. Het eencellige organisme Saccharomyces cerevisiae voorziet de mensheid sinds de oudheid van bier, brood en wijn. Tegenwoordig produceert gist ook biobrandstof en insuline. Maar in de 21ste eeuw gaat gist pas echt los. Gist kan nu vrijwel elke organische verbinding maken zolang het door enzymen wordt samengesteld en het niet te giftig is voor de cel.

“We rekken de grenzen op”, zegt senior onderzoeker prof.dr. Pascale Daran-Lupajade van de faculteit Technische Natuurwetenschappen. “We willen zien hoe ver we kunnen gaan en wat we kunnen doen.”

Als demonstratieproject werkt haar promovendus Eline Postma aan een extra chromosoom voor de productie van anthocyanine – een stof met toepassingen in medicijnen en voeding. Ze identificeerde de veertig genen die daarvoor nodig, voegde die samen tot een synthetisch zeventiende chromosoom in de gistkern en, voila, de gistcel begon anthocyanine te produceren.

Daran-Lupajade legt uit wat er tot nu toe is bereikt: “We hebben laten zien dat een kunstmatig chromosoom, ontworpen op een computer, kan worden samengesteld uit tientallen dna-fragmenten. Het resultaat, een kunstmatig chromosoom, is stabiel. Het wordt bij celdeling gekopieerd en doorgegeven van moeder- op dochtercel, waarbij het ook functioneel blijft. Dat zijn de belangrijkste uitkomsten van ons werk.”

Naadloze versmelting
Een stap terug voor het perspectief. Het kunstmatige chromosoom waarmee de onderzoekers werken is ongeveer honderd kbp groot, dat wil zeggen honderdduizend baseparen lang. Basen komen in vier smaken A,T,C en G en ze vormen de letters van de genetica. Ieder triplet van drie letters geeft de code voor een volgend aminozuur in de vorming van een eiwit.

^{Verhoudingen in baseparen. (Illustratie: Jos Wassink)}

Vergelijk 100 kbp met de gemiddelde grootte van een gen van 2,5 kb en met het kleinste natuurlijke chromosoom in gist van 250 kbp. Met 100 kbp is het kunstmatige chromosoom klein, maar toch in de orde van grootte van de andere zestien chromosomen. De onderzoekers zien geen principiële belemmering waarom kunstmatige chromosomen niet groter zouden kunnen.

Het kunstmatige chromosoom is samengesteld uit fragmenten van ongeveer 2.500 kbp. De uiteinden van zestig baseparen lang zijn als een stuk klittenband waar het volgende deel aan vastplakt, net zolang tot een cirkelvormig chromosoom is gevormd.

Chromosoomfabriek
“Gist is echt een chromosoomfabriek” zegt Daran-Lapujade. “Het kan in de celkern chromosomen van verschillende dier- en plantensoorten samenstellen. Gist doet dat efficiënter dan wij in het lab kunnen. Bakkersgist is onovertroffen in het samenstellen van overlappende stukken dna. Dat doet het volledig en vrijwel zonder fouten. Dat is echt verbazend om te zien.”

Twee sporen
Er zijn twee soorten toepassingen waar de onderzoekers aan denken. Een praktische toepassing van het kunstmatige chromosoom is die als platform waarop biotechnologen alle genen kunnen verzamelen die nodig zijn voor de productie van een bepaalde stof. Het voordeel van een apart chromosoom is dat het interferentie met bestaande processen in de cel voorkomt.

Een meer fundamentele toepassing is die als gist als chromosoomfabriek voor andere organismen zoals bacteriën, of voor de kunstmatige cel die onderzoekers aan het ontwikkelen zijn onder de vlag van het Basyc consortium.

“In onze sectie industriële microbiologie zijn de toepassingen nooit ver weg”, zegt Daran-Lupajade. “Maar de fundamentele mogelijkheden van synthetische chromosomen gaan veel verder dan dat.”

• Eline Postma, Pascale Daran-Lapujade, A supernumerary designer chromosome for modular in vivo pathway assembly in Saccharomyces cerevisiae, Nucleic Acids Research, 11 January 2021
• De wereldprimeur van kunstmatig chromosoom in gist vond in 2014 plaats. Kennislink deed er bericht van.