Genetisch gewijzigde microben - klein maar fijn? Jan Steensels en Kevin J. Verstrepen Laboratorium voor Genetica en Genomica, K.U.Leuven Laboratorium voor Systeembiologie, VIB Introductie: van natuurlijke veredeling naar genetische modificatie Het is al te gemakkelijk om te vergeten van hoe ver onze landbouw komt. Letterlijk – Mesopotamië is niet bij de deur, maar vooral ook figuurlijk. Verbeterde werktuigen, mechanisatie, bemesting en doorgedreven veredeling van dieren en gewassen zorgden voor een enorme toename in productiviteit. Deze evolutie maakte niet alleen een exponentiële toename van het aantal mensen op de planeet mogelijk, maar zorgde er bovendien voor dat de mensheid zich verder kon ontwikkelen, omdat een deel van de bevolking zich niet meer voltijds moest bezighouden met het verzamelen van voedsel. De veredeling van gewassen en dieren begon reeds bij de vroegste ontwikkeling van landbouw, zo´n tienduizend jaar geleden. Boeren kozen instinctief de beste planten om zaden te winnen voor een volgende oogst, en de beste dieren werden gebruikt in kweekprogramma’s. We staan er niet bij stil, maar op de keper beschouwd is dit een erg fundamentele en volledig onnatuurlijke ingreep, die regelrecht ingaat tegen de grootste natuurwet, nl. de wet van de natuurlijke selectie. In plaats van de natuurlijke selectie haar werk te laten doen, grijpt de mens in en bepaalt artificieel welke eigenschappen geselecteerd worden, en welke moeten verdwijnen. Hoewel deze procedures al millennialang wordt toegepast, creëren ze in feite erg onnatuurlijke wezens die in de vrije natuur geen enkele kans zouden maken. Denk hierbij bijvoorbeeld aan onze nationale trots, het Belgische Witblauw. Dit runderras heeft zoveel spiermassa dat het geboortekanaal te eng is geworden voor een natuurlijke geboorte, zodat elk kalf ter wereld wordt gebracht via een keizersnede (en die zijn schaars in de natuur!). Genetische modificatie is een veel recentere techniek voor de veredeling van onze landbouwgewassen en -dieren. Een techniek die (net zoals klassieke veredeling) onnatuurlijk is en significante gevaren inhoudt, maar daarnaast ook grandioze mogelijkheden creëert. Het basisprincipe van veredeling en genetische modificatie is in wezen volledig identiek: men tracht zoveel mogelijk “goede” stukjes DNA samen te brengen in één levend wezen. Het grote verschil tussen genetische modificatie en klassieke veredeling schuilt in twee belangrijke factoren. In tegenstelling tot veredeling, waarbij stukken DNA van twee ouders ad random gemengd worden, laat genetische modificatie toe om stukjes DNA met chirurgische precisie te combineren of in te voegen. Ook is men, in tegenstelling tot veredeling, niet enkel gelimiteerd tot het combineren van stukjes DNA van wezens die zich onderling seksueel kunnen voortplanten. Zo wordt het dus mogelijk om een stukje DNA van pakweg een bacterie over te brengen naar het genetisch materiaal van bv. een katoenplant. Klinkt onrealistisch? Toch is dit het geval voor ongeveer 50% van alle hedendaagse katoenplanten, die een gen (een stukje DNA) van de bacterie Bacillus thuringiensis dragen dat ervoor zorgt dat ze een stof aanmaken die dodelijk is voor bepaalde parasieten, maar totaal ongevaarlijk voor de mens. Gevolg: de planten moeten minder besproeid worden met schadelijke pesticiden en leveren meer opbrengst. En de katoenindustrie is zeker geen uitzondering: ook een significant deel van de wereldproductie van bv. sojabonen, maïs en lijnzaad bestaat uit genetisch gemodificeerde gewassen (77%, 26% en 21%, resp.). Genetische modificatie: logische stap, of stap te ver? De mogelijkheden van genetisch gemodificeerde organismen (GGO’s) zijn haast alleen begrenst door onze kennis. Immers, genetische modificatie vraagt een diepere kennis van de stukjes DNA die verantwoordelijk zijn voor een gewenste eigenschap. Het grote voordeel is dat het in principe mogelijk is om veel sneller en nauwkeuriger te werken dan met klassieke veredeling. Zo zou men perfect een gespierde dikbilkoe kunnen bekomen na één enkele genetische modificatie, in plaats van eeuwenlange kweekprogramma’s to volgen. Bovendien zijn we niet eens beperkt tot in de natuur aanwezige stukjes DNA: het is sinds kort mogelijk om grote stukken DNA aan te maken via chemische synthese, en zo als het ware het volledige genoom (alle DNA) van een volledig artificieel wezen aan te maken (“synthetische biologie”). Science fiction of verre toekomst, zegt u? Helemaal niet: vorig jaar werd reeds
1
een volledig genoom van een mycoplasma bacterie aangemaakt door wetenschappers van het C. Venter Institute. Dit is een eerste voorbeeld van volledig artificieel leven! Uiteraard zijn genetisch gemodificeerde organismen niet zonder gevaar. Het grote publiek vreest vaak voor de gezondheidsrisico’s die gepaard gaan met het consumeren van genetisch gewijzigde organismen, een vrees die vaak gevoed wordt door verkeerde informatie en signalen die (al dan niet bewust) worden uitgestuurd door al te ijverige milieugroeperingen. Soms denkt men zelfs dat het eten van (genetisch gewijzigd) DNA gevaarlijk is. Toch is er hier eigenlijk helemaal geen risico. Bij elke maaltijd consumeren we ongeveer een eetlepel DNA, dat aanwezig is in alles wat we eten. De samenstelling van het DNA heeft geen belang, het wordt afgebroken tot de bouwstenen. Trouwens, de lekkere GGO-vrije maïs die we verorberen kan vele miljoenen bacteriën dragen die allemaal het stukje DNA dragen dat soms wordt ingebracht in genetisch gewijzigde maïssoorten… De reële gevaren van genetisch gewijzigde organismen schuilen op een ander niveau, en vooral op een andere tijdsschaal. Immers, het is niet altijd te voorspellen wat de langetermijneffecten zijn van het grootschalige gebruik van genetisch gewijzigde organismen. Kan het telen van planten die resistent zijn tegen bepaalde insecten op langere termijn het ecosysteem in gevaar brengen? Kunnen we uitsluiten dat het stukje DNA dat zorgt voor de resistentie misschien overgedragen wordt naar andere planten, met pesticidenresistente woekerplanten tot gevolg? Het blijft een eeuwige discussie, en zelfs al lijken de meeste wetenschappelijk studies aan te geven dat de risico’s beperkt zijn, helemaal zeker van een nulrisico zijn we nooit. Het is een beetje als het monster van Loch Ness: je kan nooit bewijzen dat het niet bestaat. Anderzijds zijn sommige mogelijke toepassingen van genetisch gewijzigde organismen zonder enige twijfel erg gevaarlijk en ontoelaatbaar. Juist daarom is de huidige wetgeving erop gericht om elk geval apart te bekijken en te beoordelen of het een veilige toepassing is, die bovendien een voldoende meerwaarde biedt. Andere veelgenoemde risico’s van genetische gewijzigde organismen situeren zich op een derde, sociaaleconomisch niveau. De kostprijs voor het ontwikkelen van GGO-gewassen ligt enorm hoog, en kan bijgevolg niet door zomaar iedereen bekostigd worden. Voor het kunnen telen van de superieure, ziekteresistente gewassen, kunnen kapitaalarme boeren alsmaar meer afhankelijk worden van grote multinationals, die de zaden voor de (veelal steriele) planten aanleveren. Een belangrijke bedenking is echter of dit wel specifiek geldt voor genetisch gewijzigde organismen. Ook de niet-GGO landbouw komt immers meer en meer in handen van enkele multinationals. Een goede wetgeving en sturing vanuit de overheid kan hier wonderen doen, maar voorlopig loopt daar zeker één en ander spaak. Tenslotte vormt ook de teloorgang van biodiversiteit zeker een substantieel risico. Indien we te afhankelijk worden van één of een paar (genetisch gewijzigde) cultivars of stammen vergroot het risico dat de hele productie verloren kan gaan door een ziektekiem waarvoor de specifieke variant kwetsbaar is. Natuurlijk is ook dit gevaar niet uitsluitend verbonden aan genetisch gewijzigde organismen, en ook hier kan een intelligent beleid helpen; maar ook hier ontbreekt het voorlopig aan een voldoende krachtdadig beleid. het grote struikelblok is de nood aan een mondiale aanpak in plaats van het huidige versnipperde lokale beleid op niveau van continenten, landen en zelfs regio´s. Veredeling bij microben In vergelijking met de veredeling en verbetering van landbouwgewassen en vee, lopen microben enorm achter. Hiervoor zijn drie belangrijke verklaringen. Ten eerste maakte de mensheid pas kennis met microben in 1680, toen Antoni van Leeuwenhoek met zijn zelfontworpen microscoop voor het eerst eencellige organismen kon e waarnemen. Vervolgens moesten we wachten tot de tweede helft van de 19 eeuw, toen het pionierswerk van Louis Pasteur het belang en de toepassingsmogelijkheden van microben aantoonde. Maar zelfs na deze ontdekkingen, was het niet eenvoudig om microben te veredelen voor menselijk gebruik. Het is nu eenmaal simpeler om twee kolossale runderen met elkaar te kruisen dan twee specifiek gistcellen van 5 micrometer groot die in een cultuur zitten van miljarden cellen die er allemaal hetzelfde uitzien. Dit laatste vergt gespecialiseerd gereedschap en een wetenschappelijke aanpak die voor de meeste eindgebruikers (bakkers, wijnmakers, brouwers…) niet haalbaar was. En zelfs nu dit door de moderne wetenschap geen struikelblok meer is, is het verbeteren van microben voor voedselproductie geen evidentie, omdat er in veel voedingsproductiesectoren geen
2
uitwisseling van microben is. Brouwers, bijvoorbeeld, gebruiken één (of hoogstens een paar) gist(en) voor het maken van hun bier. Een andere brouwer gebruikt dan weer een andere gistvariëteit. Dat is een heel andere situatie dan de productie van gewassen of vee, waarbij vele boeren dezelfde soorten gebruiken, en teelt- of kweekmateriaal vaak wordt uitgewisseld, of zelfs professioneel beheerd wordt door veredelingsbedrijven. Toch zijn het vandaag erg opwindende tijden voor microbiologen die zich toeleggen op de verbetering van microben voor menselijk gebruik. De opgelopen achterstand wordt met rasse schreden ingehaald. Voor sommige microben, zoals bijvoorbeeld bakkersgisten, staat men al erg ver. Bakkers kunnen vandaag kiezen uit catalogi met honderden verschillende gisten die elk specifieke eigenschappen hebben qua fermentatiesnelheid, capaciteit om het deeg te doen rijzen en bestendigheid tegen invriezen of verhitten. Al deze giststammen zijn gecreëerd door selectieve kruisingen van verschillende gistvariëteiten, en zijn dus geen GGO’s. Vergeleken met de bakkers lopen de brouwers flink achterop, juist omdat elke brouwerij angstvallig zweert bij hun traditionele gist in plaats van actief op zoek te gaan naar superieure varianten. Toch is er, mede onder invloed van de recente schaalvergroting in de brouwerijsector, ook hier een innovatieve trend waarneembaar. In samenwerking met geëngageerde brouwers is onze onderzoeksgroep nu volop bezig met grootschalige studies gericht op het vinden of creëren van betere gisten voor toepassing in de bierbrouwerij. Mét resultaat trouwens, want een aantal van de gisten heeft reeds zijn weg gevonden naar de markt. GGO in ons bier - een processie van Echternach? Hoe staat het dan met genetisch gewijzigde microben in ons voedsel? In de jaren 90 was er een korte maar hevig race om via genetische modificatie microben te maken die beter geschikt zijn voor industrieel gebruik. In de medische sector begon deze race al iets vroeger, en vandaag worden er heel wat verschillende genetisch gemodificeerde microben gebruikt voor de productie van geneesmiddelen. Echter, in de veelal oerconservatieve voedingssector liep het niet zo´n vaart. Hier en daar doken reeds een paar genetisch gemodificeerde microben op. Het meest opzienbarende voorbeeld was wellicht een brouwersgist die een gen tot expressie bracht waardoor de cellen ook complexe suikers en zelfs zetmeel konden afbreken. Hierdoor werd het mogelijk om bier te maken dat veel minder restsuikers bevat, en dus minder calorieën telt. Hoewel de initiële productie niet volstond om aan de vraag te voldoen, werd het bier nooit op grote schaal gecommercialiseerd. Mede door grootschalige (en niet altijd wetenschappelijk onderbouwde) acties van drukkingsgroepen en goedbedoelende milieuorganisaties, en door ongerelateerde problemen zoals de dollekoeienziekte en later de Belgische dioxinecrisis, werden consumenten zeer behoedzaam en wantrouwig t.o.v. de moderne, industriële voedselproductie. Dat wantrouwen straalde ook af op alles wat met genetische modificatie te maken heeft, ook al is er geen wetenschappelijk verband tussen beiden. Voedingsproducenten stopten in de late jaren ´90 daarom veelal met de productie van en het onderzoek naar GGO-voedsel. Na een lange pauze duiken er de laatste jaren toch weer hier en daar genetisch gemodificeerde microben op in de voedingssector. In de VSA werd recent een gist gepatenteerd die bepaalde ongewenste aroma´s kan afbreken, en daardoor uiterst interessant is voor de productie van wijn. De gist wordt sedert een jaar door een handvol wijnmakers gebruikt in de VSA en Canada. Geleidelijk lijkt de voedingsindustrie meer en meer vertrouwen te krijgen in de toepassingsmogelijkheden van genetisch gemodificeerde microben. Zo krijgt onze onderzoeksgroep al aanvragen van brouwerijen om te onderzoeken of via genetische modificatie bepaalde eigenschappen van gist zouden kunnen worden verbeterd. Dat is dan vooral uit strategisch oogpunt - men is niet van plan deze gisten meteen commercieel te gebruiken, maar men gaat er wel van uit dat GGO-microben binnen afzienbare tijd (terug) hun weg zullen vinden naar de markt. Wat zijn de mogelijkheden van genetisch gewijzigde microben? Welk onderzoek gebeurt er binnen ons labo aan de faculteit? De mogelijkheden van de GGO-technologie zijn haast onbegrensd. We kunnen microben maken die meer of minder specifieke enzymen aanmaken, gezonde antioxidantia produceren, betere en volkomen natuurlijke
3
aromastoffen afscheiden, beter kunnen groeien op minderwaardige voedingsstoffen, en microben die kunnen weerstaan aan stress. Ook binnen onze faculteit gebeurt heel wat onderzoek om via genetische modificatie betere microben te produceren. Zo is onze onderzoeksgroep volop bezig met de ontwikkeling van gisten met specifieke eigenschappen voor de productie van bier, wijn, chocolade en bio-ethanol. Gisten die veel meer of veel minder fruitige aromastoffen produceren, gisten die sterker of minder sterk aan elkaar kleven (flocculeren), gisten die sneller of vollediger kunnen fermenteren, gisten die minder of meer alcohol produceren, en zelfs gisten die een "genetische barcode" dragen en zo kunnen onderscheiden worden van andere gisten. Enkele van de gisten die op natuurlijke wijze verbeterd werden verkocht aan bedrijven en worden nu reeds gebruikt voor de commerciële productie van bier. De genetisch gewijzigde varianten blijven echter voorlopig uitsluitend gebruikt voor onderzoek. Het grootste struikelblok in het gebruik van GGO’s in de voedselproductie, is en blijft de publieke perceptie. Of het nu draait om genetisch gemodificeerde gewassen of microben, de doorsnee consument blijft vrij wantrouwig t.o.v. het zogenaamde “Frankenfood”. In de medische sector is het taboe van de GGO-technologie al deels doorbroken, maar in de voedingssector loopt de evolutie trager dan verwacht. Misschien is dat nog niet eens zo erg, want ondertussen krijgen we de tijd om de gevaren beter in te schatten en het beleid te verbeteren. Ondertussen wachten enkele honderden GMO gisten met interessante industriële eigenschappen geduldig in de diepvriezers van ons laboratorium. Voor meer informatie over het onderzoek aan het laboratorium voor Genetica en Genomica o.l.v. Prof. Kevin Verstrepen, zie www.kuleuven.be/verstrepen ,
4
Genetisch gemodificeerde gisten waarvan het gen voor aromaproductie gefuseerd werd met een gen dat codeert voor een fluorescent proteïne (GFP). Dit zorgt ervoor dat het enzym dat instaat voor de productie van aromastoffen groen oplicht, zodat we de activiteit en locatie in de cel kunnen bestuderen.
5
YPD Eth12%
YPD 15°C
SynCa (s) 37°C
pH 2,5 30°C
pH 3,5 37°C
YPSuc 41°C
YPMaltrio 30°C
YPSuc 30°C
YPMal 15°C
Plate Assay
Phenyl ethanol
Phenyl ethyl acetate
Ethyl decanoate
Ethyl octanoate
Ethyl hexanoate
Isoamyl alcohol
Butanol
Isoamyl acetate
Isobutanol
Propanol
Ethyl butyrate
Isobutyl acetate
Ethyl propionate
Ethyl acetate
Acetaldehyde
90
100
70
80
40
50
60
X5011 X5012 X5005 X5006 X5010 X5003 X5000 X5001 X5009 X1056 X1106 X1100 X1093 X8003 X8005 X8007 X1113 X8009 X8006 X8008 X2001 X5501 X1076 X1077 X1008 X1010 X1047 X6001 X6004 X6000 X1014 X1078 X1080 X1082 X1081 X1079 X4009 X4020 X4021 X4023 X4024 X4025 X4026 X4027 X4022 X4053 X4039 X4041 X1075 X7012 X4055 X7002 X7004 X1048 X1092 X1102 X8001 X1057 X1058 X1116 X1118 X1099 X1114 X1111 X1050 X1051 X1083 X1084 X1000 X1029 X1030 X1027 X4043 X1052 X4000 X4004 X4008 X4047 X5500 X4037 X4001 X4003 X5505 X5506 X5507 X2002 X2003 X2004 X2006 X2007 X7009 X7010 X7011
Grafische weergave van de verschillende eigenschappen van natuurlijke gisten. Elke rij bevat de gegevens van een verschillende biergist. de stamboom links geeft de genetische verwantschap (stamboom) van de gisten weer. De gekleurde vakjes geven verschillende eigenschappen van de gisten weer, een geel vakje staat voor een lage score, terwijl een rodere kleur een hogere score representeert. 6
Dit soort analyse laat toe om gisten te selecteren met bepaalde wenselijke eigenschappen, en ook om gisten te selecteren voor kruising en veredeling.
7
