De synthetische biologie ziet de cel als Lego-doos met genen als bouwstenen. Je kunt dan nieuwe organismen bouwen met nieuwe eigenschappen. Dit bouwwerk functioneert echter niet altijd zoals verwacht, ondervinden studenten in de bacterie-wedstrijd iGEM.
Het is 2050. Voor een behandeling van de ziekte van Crohn (een darmaandoening), moeten bepaalde medicijnen heel gericht toegediend worden. Een simpel pilletje met bacteriën volstaat. De bacteriën produceren de juiste medicijnen, reizen af naar de juiste locatie, droppen hun bagage en plegen zelfmoord zodra ze overbodig zijn geworden.
Bloedtransfusies vinden niet meer plaats in het ziekenhuis. Mensen met bloedarmoede krijgen bacteriën toegediend die zuurstof door de bloedbaan transporteren.
Er komen in het ziekenhuis ook nauwelijks nog patiënten met tuberculose binnen. De ziekte is vrijwel uitgeroeid doordat hij in een vroeg stadium ontdekt wordt door gistcellen die geurstoffen detecteren afkomstig van de bacil Mycobacterium tuberculosis.
Nieuwe organismen
Is dit de toekomst? Hebben we straks altruïstische micro-organismen die de mens dienen? Het is de droom van de studenten die meedoen aan de jaarlijkse bacterie- en gistontwerpwedstrijd iGEM (International Genetically Engineered Machines). In deze competitie proberen ze nieuwe organismen te maken met gestandaardiseerde stukjes DNA – zogenaamde biobricks, waarvan bekend is welke functies ze kunnen vervullen in de cel.
Het eerste voorbeeld heet Dr. Coli. Aan deze E. Coli-bacterie is flink gesleuteld. Hij werd in 2008 ontworpen door studenten van de KU Leuven. BactoBlood, eveneens een gepimpte E. Coli, is enkele jaren eerder bedacht door een groep van de University of California.
De tuberculose snuffelende gistcel is de inzending waarmee een team van de TU dit jaar hoge ogen hoopt te gooien in Boston (Verenigde Staten). Hier vindt op 5 november de iGEM-finale van 2012 plaats. Tijdens de Europese voorselectie in Amsterdam op 5 oktober werd bekend dat de Delftenaren naar de VS mogen, samen met 17 andere Europese teams.
De wedstrijden begonnen in 2003 aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston. Ze dienen als platform voor het verder ontwikkelen van de synthetische biologie. Door de alsmaar toenemende rekenkracht van computers en de voortschrijdende moleculaire en DNA-synthese technieken, is men steeds beter in staat om genen aan te wijzen die bepaalde cellulaire processen aansturen. Die genen kun je gebruiken als bouwstenen (biobricks) om heel nieuwe bacteriegenomen mee op te bouwen met nieuwe eigenschappen, zo is het idee. Tijdens iGEM leveren de studenten nieuw inzicht en nieuwe biobricks die ze opslaan in het door MIT opgezette Registry of Standard Biological Parts.
Synthetisch leven
De synthetische biologiegoeroe Jay Keasling van de University of California heeft tot nu toe de meest gesynthetiseerde vorm van leven gecreëerd die ook daadwerkelijk wat nuttigs doet. Hij maakte een gist die het antimalariamedicijn artemisinine produceert. Hij voegde daarvoor een twintigtal uit planten afkomstige genen toe aan gistcellen. Nu probeert hij gisten te maken die petroleum uitscheiden.
Meestal levert het legoën met biobricks echter niet de nieuwe gewenste functio-nele micro-organismen op doordat de natuurlijke processen in de cel in de war geschopt worden. De cel doet niet waar hij voor ontworpen is, hij sterft of hij verwijdert het ingebouwde DNA weer eigenhandig. Dit laatste overkwam het Delftse team mogelijk ook.
De Delftse studenten probeerden gistcellen zover te krijgen dat deze receptor-eiwitten zouden aanmaken die bepaalde tuberculosegeurstoffen kunnen detecteren. Deze receptoreiwitten komen normaal gesproken alleen in ratten voor. De studenten voegden dus ratten-DNA toe aan het gist-DNA. Maar daar waren de gistcellen niet zo van gediend (zie kader).
Maar de synthetisch biologen en de studenten die aan iGEM meedoen, krijgen het in de toekomst misschien wel veel makkelijker. Volgens sommige wetenschappers hoeven synthetisch biologen over een tijdje niet, zoals huidige biotechnologen, te werken met ingewikkelde natuurlijke ‘recalcitrante’ micro-organismen met hun enorme wirwar aan wisselwerkende genen. In plaats daarvan werken ze met een minimalistische basiscel.
De synthetisch biologen van het bekende Amerikaanse Craig Venter-laboratorium hebben hun zinnen daarop gezet. Ze werken aan bacteriën die draaien op volledig kunstmatig DNA. Ze zijn daarnaast vrij minimalistisch; ze bevatten alleen genen waarvan de onderzoekers snappen welke functies ze vervullen.
In 2010 behaalden Venter en zijn collega’s een mijlpaal. Ze slaagden erin om het volledige DNA (dus nog geen versimpelde variant) van de ene bacteriesoort (Mycoplasma mycoides) te transplanteren naar het lege (DNA-loze) omhulsel van een andere – nauw verwante – bacteriesoort (Mycoplasma capricolum).
Het ‘chassis van het leven’ noemt Bart De Moor, hoogleraar bio-informatica en leider van het Dr. Coli-project de basiscel waartoe het werk van Venter uiteindelijk moet leiden. ‘Je hebt op voorhand een bacterie met een minimaal aantal genen nodig, zo’n tweehonderdvijftig, om aan te sleutelen. Dat is het chassis van het leven’, zo zei hij in dagblad De Standaard. ‘Geef een synthetisch bioloog dat chassis en een waslijst aan specificaties en hij bouwt de bacterie verder uit met biobricks zoals we elektronische schakels maken op een chip.’
Stealth engineering
Prof. Hans Westerhoff, hoogleraar synthetische systeembiologie aan de Universiteit van Amsterdam, die de Europese voorrondes van iGEM hielp organiseren, hanteert een andere benadering. Volgens hem heeft de synthetische biologie niet per se een versimpelde basiscel nodig om vooruit te komen.
“Wij werken aan de tegengestelde aanpak. Wij willen netwerken (combinaties van biobricks, red.) zodanig maken dat zij niet door de gastheercel opgemerkt worden. Dit heb ik stealth engineering genoemd, naar de voor radar onzichtbare vliegtuigen van de Amerikaanse luchtmacht.”
Dit jaar publiceerde Westerhoff een artikel waarin hij doorrekende dat het mogelijk is om bepaalde genen, die betrokken zijn bij de suikerregulatie in gist, te vervangen met een andere set aan genen zonder dat de gistcel dit door heeft.
De onderzoeker wil ook wel een chassis maken, maar dan niet met de minimalistische aanpak. “Door te minimaliseren zoals Craig Venter doet, wordt het netwerk fragieler. De cellen maken dan wel heel eventjes de producten die je wilt, maar als er maar iets in de omgeving verandert dan sterven ze.”
De Amsterdamse onderzoeker denkt dat het slimmer is om bestaande cellen robuuster te maken dan om ze te minimaliseren. “Dat kunnen we doen door bestaande stofwisselingsprocessen in de cel aan te passen waardoor de cel weerbaarder wordt tegen interne stress.”
Bedenkingen
De Delftse biotechnoloog dr. Aljoscha Wahl (TNW), dit jaar een van de begeleiders van de Delfste studenten en hoofdorganisator van de Europese iGEM voorrondes, heeft ook zijn bedenkingen over de minimalistische cel.
“Uiteindelijk wil je cellen hebben die heel stabiel zijn onder wisselende omstandigheden, cellen zoals de evolutie ze heeft voortgebracht. Je kunt wel een simpel chassis maken dat onder zeer gecontroleerde omstandigheden in het laboratorium overleeft – wetenschappelijk is dat interessant – maar in de praktijk heb je er veel minder aan.”
Wahl snijdt een ander heikel punt aan. Steeds meer van de biobricks die in de synthetische biologie gebruikt worden, zijn afkomstig van planten of zoogdieren. Zo ook de receptoreiwitten die het Delftse team heeft gebruikt. Bacteriën zijn niet in staat om zulke ingewikkelde eiwitten te produceren. Daarvoor heb je gistcellen nodig. Gistcellen zijn echter veel complexer dan bacteriën. Het is dan ook veel lastiger om een gistcel naar je hand te zetten en om een soort gistcelchassis te maken.
Toch hopen Westerhoff en Wahl dat de klassieke biotechnologie, waarbij wetenschappers micro-organismen stapje voor stapje modificeren en ze door kweek- en selectieprocedures de gewenste kant op dirigeren, over een tijdje passé is.
Westerhoff: “De klassieke biotechnologie was nogal ongecontroleerd. Er werden organismen gemaakt waarvan we echt de samenstelling niet weten (dat geldt ook voor de organismen die zogenaamd ‘goed want natuurlijk’ voedsel maken). Met behulp van de systeembiologie moeten we de netwerken in die organismen leren kennen. Als we die kennen, kunnen we heel veilige en effectieve organismen maken. Ik denk dat het dan ook mogelijk wordt om gistcellen te veranderen in cellen die tuberculose detecteren.”
Snifferomyces, de tuberculose snuffelaar
Een receptoreiwit dat in celmembranen van ratten zit, diende als vertrekpunt van het Delftse iGEM-team. Een receptoreiwit is een eiwit dat door zijn ruimtelijke molecuulstructuur bepaalde stoffen bindt en de cel hierdoor gevoelig maakt voor die stoffen. In dit geval reageert het eiwit op de geurstof methylnicotinaat die de bacterie Mycobacterium tuberculosis uitscheidt.
Hoe krijg je dat eiwit in gist en hoe maak je de detectie van het geurstofje door de gist zichtbaar voor de mens? Aan deze uitdagingen hebben tien studenten ongeveer een halfjaar gewerkt.
De DNA-code van het receptoreiwit van de rat is bekend. De studenten hebben de DNA-code zodanig aangepast dat ook gist ermee overweg kan. Daarna lieten ze het door een gespecialiseerd bedrijf synthetiseren. In hun lab brachten ze het DNA aan in gistcellen middels een standaardtechniek met een hitteschok en door toevoeging van zout. Door het plotselinge hitteverschil, en door toevoeging van zout, ontstaan er kleine openingen in het membraan waardoor het DNA naar binnen kan.
Om er zeker van te zijn dat alleen de gistcellen met de ingebouwde receptorgenen opgekweekt werden, werd het ingebouwde stuk ratten-DNA gekoppeld aan een extra gen waardoor alleen zij konden overleven op een speciale voedingsbodem.
Het resultaat viel in eerste instantie wat tegen. De redenen zijn niet helemaal duidelijk. “Het kan zijn dat gistcellen die de nieuwe genen niet in zich hadden toch konden overleven door ‘mee te liften’ met andere gistcellen”, vertelt studente Sietske Grijseels. “Wellicht ondervonden de gistcellen ook hinder van de eiwitproductie die de ingebouwde genen teweegbrachten en heeft een deel van de gistcellen de genen er daarom uitgegooid”, zegt student Mark Weijers.
Maar de gistcellen die het gen in zich hadden, bleken de receptoren wel aangemaakt te hebben en er zijn ook receptoren in de celmembraan terechtgekomen. De studenten konden dit –indirect- nagaan doordat ze aan de gistcellen ook biobricks hadden toegevoegd die coderen voor lichtgevende eiwitten, eiwitten die pas in de gistcel worden aangemaakt wanneer de receptoren worden geactiveerd.
Voor de activatie van de receptoren gebruikten ze echter een ander stofje dan de tuberculose geurstof. “De koppeling van de receptor met het molecuul dat vrijkomt van de tuberculose bacterie is nog niet aangetoond”, zegt
Grijseels. “Maar de cel reageert wel op niacine, een molecuul dat daar heel erg op lijkt. Ook hebben we aangetoond dat de koppeling van een lichtgevend eiwit met een natuurlijke gistreceptor goed werkt.”
Do you have a question or comment about this article?
delta@tudelft.nl
Comments are closed.