o o g s t u i t h e t l a b

56

3

oo g s t

u i t

h e t

l a b

Een dynamische gereedschapskist

Net als de natuurkunde in de twintigste eeuw, ontwikkelt nu de biologie zich tot Big Science. De combinatie van moleculaire biologie, informatietechnologie en nanotechnologie zorgt voor tal van spannende ontdekkingen. Vrijwel wekelijks worden er nieuwe inzichten, biotechnieken en toepassingen gepubliceerd. Sommige nieuwe technieken zijn een respons op het maatschappelijk debat. Anderen zetten het denken over de relatie tussen DNA, eiwitten en de eigenschappen van organismen op z’n kop en maken duidelijk dat cellen complexer blijken te werken dan tot nu toe werd gedacht.

E e n

d y n a m i s c h e

g e r e e d s c h a p s k i s t

Genetische modificatie bood in 1990 al vele toepassingsmogelijkheden. Maar voor marktrijpe producten moest er toen nog omvangrijk en kapitaalintensief speurwerk verricht worden. Het opschalen van een laboratoriumvinding levert immers altijd veel technische problemen op. Daarnaast was nog geheel niet duidelijk wat het voor organismen betekende dat ze een soortvreemd gen kregen. Zeker in 1990 hadden de onderzoekers nog geen duidelijk beeld van de rol van DNA en evenmin van bijvoorbeeld het gedrag van de gemodificeerde planten in het veld. Dat weerhield onderzoekers en bedrijven er niet van om genetisch veranderde organismen in het veld en zelfs op de markt te brengen. Maar die onzekerheden leidden wel tot veel vragen over de risico’s. Intussen zijn de onderzoekstechnieken veel beter geworden en is het biotechnologisch onderzoek ook veel grootschaliger en internationaler geworden. Net als de fysica en chemie in de twintigste eeuw heeft de biologie zich rond de eeuwwisseling steeds meer tot Big Science ontwikkeld. Niet voor niets wordt het onder-

58

En er zijn natuurlijk nieuwe beloftes en toepassingsmogelijkheden bij gekomen.

Ge nomics: de ve rsme lti ng van molecul ai r e b iolog i e e n i n for mati e tech nolog i e

Bron: Monsanto jaarverslag, jaar onbekend

zoeksproject voor het ontcijferen van het menselijk genoom vaak vergeleken met het Manhattan-project van de Amerikaanse regering dat aan het eind van de Tweede Wereldoorlog resulteerde in de eerste atoombom, of met het Apollo-project dat er in de jaren zestig van de twintigste eeuw voor zorgde dat Amerikaanse ruimtevaarders de eersten waren die een voet op de maan zetten. Voor dergelijke technologische onderzoeksprojecten worden honderden wetenschappers en ingenieurs samengebracht. Dat dit nu ook in de biologie gebeurt, blijkt bijvoorbeeld uit het aantal auteurs dat stond vermeld bij de eerste DNA-ontrafeling van het menselijk genoom, dat in februari 2001 in het gezaghebbende wetenschappelijke tijdschrift Nature verscheen: dat was een paar honderd wetenschappers uit Amerika, Japan, China en Europa. Het artikel waarin voor het eerst de dubbele helix structuur voor het DNA-molecuul werd voorgesteld, uit 1953, was slechts door twee wetenschappers geschreven. Door de toegenomen kennis is afgelopen twintig jaar ook het inzicht veranderd in de biologische betekenis van genetische modificatie.

oo g s t

u i t

h e t

l a b

Een belangrijk veld is nu genomics, waarbij het DNA van organismen in kaart wordt gebracht. Terwijl het rond 1980 nog een jaar kostte om de volgorde van de nucleotiden van een ‘gen’ in kaart te brengen, kwamen er eind jaren tachtig al apparaten op de markt die er een week over deden. Daarna nam de automatisering van de laboratoriumhandelingen en de rekenkracht van de computers steeds verder toe. Hierdoor kon de volgorde van DNA steeds sneller en goedkoper ontcijferd worden. Er werden enorme onderzoeksprogramma’s opgezet om van alle organismen die voor de mens nuttig of schadelijk kunnen zijn, het gehele DNA in kaart te brengen. Hiervoor kwam de term genoomonderzoek of genomics in zwang. In 1995 werd voor het eerst het gehele ‘genoom’ d.w.z. het totaal aan DNA, van een organisme gepubliceerd. Het betrof Heamophilus influenzae, een bacterie die hersenvliesontsteking kan veroorzaken. In de daarop volgende jaren volgde de publicatie van de DNA-volgorde van andere organismen. In 2001 was het wereldnieuws dat het menselijk genoom voor het eerst in zijn geheel in kaart was gebracht. Ook verschenen er apparaten waarmee steeds sneller en goedkoper alle eiwitten in een cel of organisme in kaart gebracht konden worden (proteomics), evenals alle biochemische verbindingen (metabolomics). Inmiddels kunnen onderzoekers een eiwitsyntese in cellen op de voet

59

te volgen. Uit dit type onderzoek komen enorme hoeveelheden gegevens voort. De betekenis van al die informatie kan alleen doorgrond worden aan de hand van wiskundige formules. Hiervoor ontwikkelde zich een nieuwe discipline in de biologie, de zogeheten bio-informatica. Daartoe zijn computers met steeds meer rekenkracht ontwikkeld. Speciaal voor het onderzoek naar eiwitstructuren ontwikkelde IBM onder de projectnaam Blue Gene opeenvolgende generaties supercomputers. In november 2005 belandde de Blue Gene/L, een machine met een capaciteit van 360 biljoen flops berekeningen per seconde met grote voorsprong op nummer één van de ranglijst van ’s werelds grootste computers. In de zomer van 2007 werd al weer de komst van de opvolger bekend gemaakt: de Blue Gene/P met een acht keer zo grote rekenkracht en 100.000 keer de rekenkracht van de gemiddelde Personal Computer. Dergelijke machines worden in de eerste plaats ontwikkeld met het oog op het onderzoek naar het humane genoom, maar zullen zonder twijfel hun spin-off hebben in het genoomonderzoek van dieren, planten en micro-organismen die voor de landbouw en voedselproductie interessant zijn.

IBM Blue Gene/L met een rekensnelheid van een machine met een capaciteit van 360 biljoen flops per seconde Foto: University of Wisconsin, Dept. of Computer Sciences

Het kraken van genomen Dankzij de voortdurend toenemende snel-

Ook genoomonderzoek vergt grote investeringen. Die zijn aanvankelijk grotendeels afkomstig uit publieke middelen. Overheden rechtvaardigen deze investeringen meestal op een wijze die sterk doet denken aan de beloften die vijftien jaar eerder werden gedaan om kapitaal vrij te maken voor gentechnologie. Publieke kennisinstellingen zouden, samen met bedrijven, met genomics technologieën voor economisch concurrerende en milieutechnisch duurzamere productieprocessen kunnen ontwikkelen.

E e n

d y n a m i s c h e


heid waarmee het (vrijwel) volledige DNA van organismen in kaart kan worden gebracht zijn er rond 2000 vele genoomprojecten gestart. Eind 2005 was de DNA-volgorde van meer dan 330 organismen vastgesteld. In de meeste gevallen betreft het micro-organismen (onder andere ziekteverwekkers), waarvan het DNA over het algemeen niet meer dan één tot vijf miljoen basenparen groot is. Voorbeelden zijn Helicobacter pylori (verantwoordelijk voor het ontstaan van een maagzweer) en bakkersgist (Saccharomyces cerevisiae) waarvan de

60

DNA-volgorde is gepubliceerd in 1997. Drie

code van landbouwhuisdieren als varken, koe,

jaar later werd de DNA-volgorde van de chole-

paard, schaap, geit, konijn, kip en kangaroe,

rabacterie wereldkundig gemaakt. In hetzelfde

van baviaan, orang oetan, olifant en kat. En al

jaar werd ook de 119 miljoen basenparen tel-

wat in het water leeft wordt niet vergeten: het

lende DNA-volgorde van de eerste plant, zand-

genoom van tilapia, Atlantische zalm, regen-

raket (Arabidopsis thaliana) gepubliceerd. Dit

boogforel, kreeft, garnaal, oester en mossel

plantje, dat in Nederland algemeen voorkomt,

is ook onderwerp van het genoomonderzoek.

wordt in het plantengenoom onderzoek veel-

Tenslotte is er aandacht voor het genoom van

vuldig als model gebruikt. Ook werd in dat jaar

een aantal (plaag)insecten en een groot aantal

het vrijwel even grote genoom van de fruit-

micro-organismen, waaronder een aantal ziek-

vlieg gepubliceerd. In 2001 volgde een belang-

teverwekkers die schadelijk zijn voor plant,

rijke doorbraak, zowel qua omvang als in psy-

dier en mens.

chologisch opzicht, die veel aandacht van de

Bij het in kaart brengen van de DNA-volg-

media trok: de publicatie van de DNA-volgorde

orde van genomen zijn vaak meerdere partijen

van de mens, ongeveer 2,9 miljard basenparen

betrokken, zowel onderzoeksinstellingen als

groot. Deze publicatie was het voorlopige eind-

bedrijven. Zo kent het Potato Genome Sequen-

punt van een race tussen het bedrijf Celera van

cing Consortium, een Wagenings initiatief,

Craig Venter en het door de overheid gefinan-

deelnemers uit onder meer Brazilië, China,

cierde Humane Genoom Project om als eerste

Duitsland, Groot-Brittannië, Ierland, India,

te kunnen publiceren. Het competitieve ele-

Nieuw-Zeeland, Rusland en de Verenigde Sta-

ment betekende een enorme stimulans voor de

ten. Dit Consortium wil in 2008 de DNA-volg-

verdere ontwikkeling van software en geauto-

orde van het 850 miljoen basenparen tellende

matiseerde systemen, waardoor de snelheid

aardappelgenoom hebben ontcijferd. Soms,

van de volgordebepaling nog verder is toegeno-

als een partij uitzonderlijke belangen heeft bij

men. In de vier daarop volgende jaren volgden

het kraken van een specifiek genoom, kan het

onder meer publicaties van het genoom van de

voorkomen dat alleen díe partij is betrokken.

muis, de zijderups, de zebravis, de Noorse rat,

Zo is het genoom van de schimmel Aspergillus

de chimpansee, de hond en koffie.

Niger, het huisproductieorganisme van DSM,

Sinds 2005 lopen er in allerlei landen projec-

in z’n geheel door DSM ontrafeld.

ten om de DNA-volgorde van meer dan 1.400

In veel gevallen wordt de DNA-volgorde, soms

organismen in kaart te brengen. Daaronder

pas na enige tijd, gepubliceerd en is er vrije toe-

bevinden zich belangrijke gewassen als rijst,

gang tot informatie via het Internet.

maïs, tarwe, gerst, haver, aardappel, suikerbiet, soja, boon, katoen, appel, sinaasappel, perzik, amandel, kiwi, banaan, wijndruif, tomaat, bloemkool, mosterd, Spaanse peper en zonnebloem. Ook worden er bomengenomen in kaart gebracht: eucalyptus, den en populier. Er wordt gezocht naar de volledige DNA-

oo g s t

u i t

h e t

l a b

61

‘Ge n e shuffli ng’ e n ‘prote i n e ngi n e e r i ng’

Gene shuffling en protein engineering is een andere techniek waarin veel vooruitgang is geboekt. Met deze technieken proberen biotechnologen enzymen voor wasmiddelen, voedingsmiddelen of voor andere industriële toepassingen, efficiënter te maken. Deze enzymen worden geproduceerd door micro-organismen die de genen hebben gekregen die voor deze enzymen coderen. Maar de werking van natuurlijke genen is lang niet altijd optimaal. Het is bijvoorbeeld mogelijk dat een gen onvoldoende tot expressie komt, dat wil zeggen dat de vertaling in eiwitten niet optimaal verloopt. Ook komt het voor dat een micro-organisme wel bepaalde enzymen produceert, maar de werking van die enzymen gering is. Daarom worden er sinds 1994 technieken toegepast waarbij willekeurige, kleine veranderingen worden aangebracht in de DNA-structuur van het productieorganisme en de structuur van het tot expressie gebrachte eiwit. Door toepassing bij micro-organismen heeft men met deze gene shuffling- en protein engineering-technieken onder meer de werkzaamheid en stabiliteit van enzymen verbeterd. Een voorbeeld is de verbetering van de expressie (activiteit) van het zogeheten ‘Groen Fluorescentie Proteïne’-gen (GFP). Dat gen is afkomstig uit een kwal. Als het GFP-gen in een levende cel tot expressie komt zorgt het geproduceerde eiwit voor een (nauwelijks) waarneembaar groen licht (fluorescentie). Wordt het GFP-gen gekoppeld aan andere genen, dan kan zijn lichtgevend eiwit zichtbaar maken of het inbrengen van die andere genen in een organisme succesvol is verlopen. Als de gencombinatie

E e n

d y n a m i s c h e


met het GFP-gen in het organisme tot expressie komt, zal het groen oplichten. Om de waarneembaarheid van het GFP-gen te verbeteren is gene-shuffling toegepast. Ook voor het genetisch veranderen van planten wordt gene-shuffling toegepast. In mei 2004 publiceerden onderzoekers van het bedrijf Verdia een artikel in het wetenschappelijk tijdschrift Science. Daarin zetten ze uiteen hoe ze uit het micro-organisme Bacillus licheniformis een gen hebben geïsoleerd dat codeert voor het enzym glyfosaat N-acetyltransferase (GAT). Glyfosaat is de actieve stof in het bestrijdingsmiddel Roundup. Glyfosaat doodt vrijwel alle planten. Door ‘acetylering’ met behulp van het GAT-gen wordt glyfosaat omgezet in een vorm die voor de plant niet langer schadelijk is. Planten die beschikken over een goed werkend GAT-gen zijn dus bestand tegen glyfosaat en zullen een bespuiting met Roundup overleven. GAT-enzymen uit bacteriën zijn echter niet erg effectief in dat onschadelijk maken van glyfosaat. Wanneer GAT-genen simpelweg in de bacterie E. coli tot expressie worden gebracht, is de aldus verkregen gentechbacterie niet in staat om te overleven op een voedingsbodem waaraan glyfosaat is toegevoegd. In tabak en zandraketplantje (Arabidopsis) leidt het simpelweg inbouwen van GAT niet tot glyfosaattolerantie. Door gene-shuffling hebben de onderzoekers de effectiviteit van GAT zodanig weten op te voeren, dat er zelfs na zes glyfosaatbespuitingen van maïsplanten met geshuffelde GAT-genen geen zichtbaar verschil valt waar te nemen ten opzichte van niet-bespoten planten. Overigens is Verdia inmiddels voor een bedrag van 64 miljoen dollar overgenomen door zadengigant DuPont – Pioneer Hi-bred. Dit bedrijf denkt in 2009 transgene GAT-gewassen

62

op de markt te kunnen introduceren. Deze gewassen zullen dan tevens worden voorzien van een tweede, reeds bestaande resistentie voor sulfonylurea-herbiciden.

DNA h e e f t n ieuw e be teke n is gekr ege n

De verbeterde technieken hebben geleid tot geheel nieuwe inzichten in de rol van DNA. Halverwege de negentiende eeuw werd het begrip ‘gen’ voor het eerst als een eenheid ingevoerd om bij levende organismen de overerving van eigenschappen te verklaren. In eerste instantie was het begrip ‘gen’ nog volledig hypothetisch en moest nog bewezen worden dat er werkelijk zo’n eenheid bestaat. Dankzij een groeiende kennis van natuurverschijnselen op moleculair niveau staat een ‘gen’ ruim een eeuw later voor een bepaalde opeenvolging (‘sequentie’) van basenparen in het DNA. Het is de volgorde van de basenparen die codeert voor de aanmaak een eiwit (dat één of meer functies heeft voor een organisme). In de jaren vijftig en zestig van de twintigste eeuw werd deze ‘één genéén eiwit’-hypothese het centrale dogma van de moleculaire biologie. Zo dachten veel wetenschappers lange tijd dat de code van het menselijk DNA uit circa honderdduizend genen bestaat, omdat er een zelfde aantal verschillende humane eiwitten bekend is. Aan het eind van de twintigste eeuw werd echter steeds duidelijker dat het DNA-molecuul niet als blauwdruk van een organisme fungeert. Toen men begon het menselijk genoom te kraken bleek al snel dat het aantal genen in het menselijk DNA veel kleiner is dan gedacht: niet meer dan dertig- tot veertigduizend verschil-

oo g s t

u i t

h e t

l a b

lende genen. Die genen kunnen echter wel op verschillende manieren worden afgelezen en nabewerkt, waardoor het mogelijk is dat er uiteindelijk meer dan honderdduizend verschillende eiwitten worden aangemaakt. In de jaren negentig zetten verschillende ‘mislukte’ veldexperimenten met genetisch gemodificeerde gewassen onderzoekers aan het denken over planten-DNA. In Duitsland bleken petunia’s waarvan de bloemkleur genetisch is gewijzigd niet in de gewenste kleur te bloeien. Analyses achteraf toonden aan dat de warme zomer van invloed was geweest op de zogeheten ‘methylering’ van het petunia-DNA. Die methylering blijkt van invloed te zijn op de expressie van genen. Weliswaar staat ‘methylering’ in de moleculaire biologie in zijn algemeenheid als een regelmechanisme bekend, maar toch kwam het mislukken van de veldproef als een verrassing. Er zijn inmiddels verschillende wijzen van methylering van DNA bekend maar naar de precieze werking wordt nog onderzoek gedaan. In elk geval kunnen door veranderingen in de omgeving bepaalde eigenschappen ‘aan’ worden gezet, waarna ze ook nog overerfbaar blijken te zijn. Sommige onderzoekers menen zelfs dat via dergelijke ‘epigenetische overerving’ sneller nieuwe eigenschappen ontstaan en verspreid worden dan via genetische overerving. Een voorbeeld is het vlasleeuwenbekje, waarbij de bloem van de ene variant een asymmetrische vorm heeft en de bloem van de andere variant een symmetrische vorm heeft. Heel lang dachten biologen dat ze te maken hadden met twee genetische varianten, totdat werd ontdekt dat dit verschil in bloemvorm niet door genen bepaald wordt maar door het aan- of uitstaan van één gen. Deze epigenetische variatie is soms stabiel en daarmee generaties lang overerfbaar.

63

Histonen Bron: Kenyon College Ohio, Biology Department (bewerkt door de auteurs)

In het ingewikkelde regelmechanisme spelen ook histonen een rol. DNA-moleculen zitten heel dicht opeengepakt in de celkern van planten, niet als een onontwarbare kluwen, maar gewonden om een soort klosjes die uit eiwitten bestaan. Die klosjes heten ‘histonen’. De binding tussen de histonen en het er omheen gewonden DNA is zeer sterk. Hierdoor zit het DNA als het ware op slot: de genen op het DNA kunnen niet zomaar worden afgelezen. De uitgangspositie in de cel is dus dat de genen ‘uit’ staan. Om de genen ‘aan’ te zetten moet de binding tussen de histon-eiwitten en het DNA eerst wat losser worden gemaakt. Dat gebeurt door combinaties van bepaalde enzymen. Andere combinaties van enzymen zorgen er weer voor dat de binding tussen DNA en histonen niet losser kan worden gemaakt als de daarop gelegen genen ‘uit’ moeten blijven staan. ‘Acetylering’ van de histon-eiwitten kan van invloed zijn op de expressie van genen. Sommige onderzoekers denken dat niet alleen het DNA een erfelijke code bevat, maar dat ook de histonen een erfelijke code bevatten. Deze verborgen histon-code wordt ook wel de ‘epigenetische

E e n

d y n a m i s c h e


code’ genoemd, wat zoveel betekent als ‘code op de DNA-code’. Door deze ontdekkingen heeft het DNA-molecuul als blauwdruk aan betekenis verloren. In plaats daarvan wordt DNA steeds meer beschouwd als één van de elementen van een ‘epigenetisch’ regelwerk in een organisme. Verder laat genoom-onderzoek zien dat stukken DNA, die niet voor een eiwit coderen en voorheen door de wetenschappelijke gemeenschap als ‘junk-DNA’ werden bestempeld, geen evolutionaire restanten zijn, maar dat ze een rol kunnen spelen in het epigenetische regelwerk van een organisme. Binnen grote delen van de samenleving is het beeld van het DNA-molecuul als de blauwdruk of software van een organisme echter onverminderd populair gebleven. Ook blijven sommige wetenschappers vasthouden aan het orthodoxe moleculair neo-Darwinistische beeld van de evolutie van levensvormen. Zij beschouwen de evolutie als een bijproduct van het replicatieproces van (zelfzuchtige) genen die muteren en geselecteerd worden op hun overlevingskansen van generatie op generatie. De nieuwe epigenetische inzichten lijken daarentegen te suggereren dat de voorgeschiedenis van een levend organisme in hoge mate bepaalt hoe het zich in zijn eigen levensloop kan ontwikkelen en voortplanten.

Onve r wachte rol van RNA

Een ander nieuw inzicht is dat de rol van het RNA (zie het kader) veel breder is dan men dacht. Al lang bekend was dat messenger-RNA (mRNA) nodig is voor de vertaling van genen naar eiwitten. Maar kleine stukjes RNA van

64

tieproces niet ontwonden te worden. In plaats daarvan bevinden de twee DNA strengen zich Van dubbele helix tot verwrongen

als een verwrongen ritssluiting naast elkaar.

ritssluiting

Beide onderzoeksgroepen kregen echter geen voet aan de grond en konden hun bevindin-

Watson en Crick kwamen in 1953 met de struc-

gen alleen aan tamelijk obscure wetenschap-

tuur van het DNA: de dubbele helix. Als afbeel-

pelijk tijdschriften kwijt. Ondertussen bood

ding is deze dubbele helix inmiddels overal in

het gezaghebbende tijdschrift Nature Crick en

de samenleving terug te vinden, niet alleen in

medestanders verschillende malen gelegen-

de wetenschap maar ook in de kunst, muziek,

heid om uitgebreid hun kritiek op de verwron-

film, architectuur en advertenties. Het is niet

gen ritssluiting te uiten en de hegemonie van

zo vreemd dat dit beeld zo populair is gewor-

de dubbele helix te verdedigen.

den. Ondanks de enorme diversiteit aan

In 2003 verscheen in het niet zo bekende Cur-

levensvormen blijkt uit de DNA-dubbele helix

rent Science een overzichtsartikel over het

dat er een universeel principe voor overerving

onderzoek naar de ruimtelijke structuur van

bestaat. Daardoor kan de DNA-dubbele helix

het DNA van de laatste vijfentwintig jaar. Hier-

symbool staan voor de essentie van het leven.

uit komt naar voren dat er in ieder geval een

Het is echter nog maar de vraag of het DNA-

grote verscheidenheid bestaat aan ruimtelijke

molecuul ook echt een dubbele helix structuur

structuren die het DNA-molecuul in levende

heeft. Eén van de problemen van dit model is

organismen heeft. En een daarvan is zonder

namelijk dat de twee strengen van het DNA-

twijfel de verwrongen ritssluiting.

molecuul voor het replicatieproces ontwonden moeten worden. Aangezien de snelheid van ontwinding maar liefst tienduizend toeren per minuut zou moeten bedragen en er tegelijkertijd nieuwe strengen DNA op de oude strengen worden aangemaakt, is er bij sommigen twijfel gerezen of DNA in levende organismen inderdaad een dubbele helix als ruimtelijke structuur heeft. Ook Watson werd al in 1953 door zijn leermeester Delbrück gewezen op het probleem van ontwinding. Aan het eind van de jaren zeventig stelden twee onderzoeksgroepen in Nieuw Zeeland en India onafhankelijk van elkaar alternatieve modellen op voor de ruimtelijke structuur van het DNA-molecuul. In deze alternatieven modellen die veel overeenkomsten vertonen, hoeven de twee DNA-strengen voor het replica-

oo g s t

u i t

h e t

l a b

zo’n 20 tot 25 basen – de meest bekende zijn siRNA’s en miRNA’s – blijken nu ook een rol te kunnen spelen bij de blokkering of fijnregulering van die vertaling. Ook dat ontdekte men doordat een veldproef met een genetisch gemodificeerd gewas ‘mislukte’. De oorzaak bleek ‘RNA-interferentie’. RNA-interferentie kan worden beschouwd als een van de meest belangwekkende ontdekkingen van de moleculaire genetica. In 1999 ontdekten onderzoekers dat kleine stukjes RNA een rol spelen bij gene silencing: het ‘stilleggen’ van de expressie van genen.

65

RNA In de cellen verloopt de vertaling van de DNAstructuur van genen in eiwitten niet rechtstreeks, maar geschiedt via een aantal tussenstappen. Daarbij speelt het ribonucleïnezuur (Ribo Nucleic Acid; RNA) een belangrijke rol. Van de genen, die zich in de kern van de plantencellen bevinden, wordt eerst een kopie in spiegelbeeld gemaakt. Zo’n kopie bestaat uit een enkele streng van baseparen. Die enkel-

De werking van RNAi Stukjes RNA met een antisense werking blokkeren het aflezen van messenger RNA (mRNA), waarop de vertaling van mRNA in eiwitten wordt geblokkeerd.

strengs kopieën zijn het zogeheten ‘boodschapper- of messenger-RNA’, kortweg mRNA. Met het mRNA wordt de genetische code de celkern uit getransporteerd, gevolgd door een vertaling in eiwitten op het ribosoom (zie figuur). Beschermende codes aan de uiteinden van het mRNA zorgen er voor dat het mRNA niet door de cel wordt afgebroken en het z’n functie als transportmiddel voor de genetische code ongestoord kan vervullen.

Die ontdekking, gevolgd door de ontdekking van honderden micro-RNA’s die in planten en dieren vertaalprocessen kunnen beïnvloeden, heeft de visie van biologen op RNA-regulering in planten- en dierencellen volledig veranderd. Vanwege hun geringe omvang van niet meer dan 25 baseparen en hun vermogen om zich in het proces van genexpressie te mengen, worden ze ook wel aangeduid met de term ‘small interfering RNA’s’, afgekort siRNA’s. Het vermogen van siRNA’s tot gene silencing wordt inmid-

E e n

d y n a m i s c h e


dels gebruikt bij de bestudering van de functies van genen. Bijvoorbeeld van het genoom van C(eanorhabditis) elegans, een klein wormpje of nematode. In 1998 is de DNA-volgorde van het complete genoom van deze nematode gepubliceerd. Maar waar coderen die 19.000 genen nu voor? Onder andere het Hubrecht laboratorium in Utrecht gebruikt siRNA’s om de functie van die genen op te helderen. Stuk voor stuk wordt de expressie van genen van C. elegans stilgelegd. Is een gen eenmaal stilgelegd, dan wordt gekeken welke gevolgen dat heeft voor de eigenschappen van het organisme. Zo hoopt men stap voor stap iets te leren over de functies van de genen die men in kaart heeft gebracht. Vergelijkbaar onderzoek wordt verricht naar het genoom van fruitvliegjes en andere insecten. Bij het onderzoek naar micro-RNA’s in planten speelt het plantje zandraket (Arabidopsis thaliana) een belangrijke rol. Het is een modelplant, die voor het plantenonderzoek is wat muizen en ratten zijn voor het biomedisch onderzoek. In 2000 was de zandraket de eerste plant waarvan de volledige DNA-volgorde werd gepubliceerd. Hierna werd wereldwijd onder-

66

Het effect van RNAi op de bloemkleur in petunia (origineel op Wikimedia) Bron: Matzke M.A., Matzke A.J.M. (2004). Planting the Seeds of a New Paradigm. PLoS Biol 2(5): e133

zoek opgezet voor de bestudering van verschillende onderdelen van het genoom van zandraket, waarbij ook weer gebruik wordt gemaakt van siRNA’s. In de Europese Unie is een omvangrijk onderzoeksproject opgezet waarin Britse, Spaanse, Duitse, Franse, Belgische en Nederlandse onderzoekers bouwen aan een databank waarin alle informatie over de genen van zandraket en hun functies wordt samengebracht. Wereldwijd zijn er zestien databanken voor zandraket met informatie over het genoom, micro-RNA’s en verschillende categorieën van gen-functies. Vergelijkbare databanken zijn ook opgezet voor belangrijke gewassen als aardappel, rijst, soja, maïs, koolsoorten en voor de schimmel Phytophtora infestans die aardappelziekte veroorzaakt. De kennis die al dit onderzoek oplevert kan in de toekomst weer worden gebruikt voor de ontwikkeling van nieuwe plantenrassen, bijvoorbeeld met verbeterde ziekteresistenties. De werking van siRNA’s kan ook worden benut om gericht eigenschappen in bestaande plantenrassen te veranderen. In 2003 meldden Japanse onderzoekers dat het was gelukt om met behulp van deze techniek cafeïnevrije koffieplanten te maken. Dat was bereikt door de productie van een enzym dat is betrokken

oo g s t

u i t

h e t

l a b

bij de productie van cafeïne in koffieplanten te onderdrukken. In 2005 publiceerde een groep van diverse universiteiten en bedrijven een geslaagde toepassing van siRNA’s in tomaat. Men wist een gen stil te leggen dat een rol speelt in de productie van carotenoïden – waaronder lycopeen – en flavonoïden. Dat zijn stoffen die bekend staan om hun positieve bijdrage aan de gezondheid van de mens. Het resultaat is een tomaat met twee keer zoveel lycopeen en 1,9 tot 3,5 keer zoveel flavonoïden. Vermoed wordt dat het mechanisme van het ‘stilleggen’ van genen is ontstaan als defensiemechanisme tegen infectie door virussen. Cellen kunnen viraal, dubbelstrengs-RNA herkennen als ‘vreemd’; de cel zou het zelf niet maken. Na herkenning wordt in de cel een mechanisme in werking gezet die de omzetting naar eiwitten remt. Hierdoor is het ook mogelijk dat in een plant waarin kunstmatig een gen is uitgeschakeld het mechanisme van gene silencing wordt verstoord door een virusinfectie. De eigenschap komt dan toch weer tot expressie. Dat kan niet alleen lastig zijn voor de kweker, die een plant met andere eigenschappen krijgt dan hij verwacht, maar kan er in principe ook toe leiden dat de plant toxinen gaat maken die schadelijk zijn voor de volksgezondheid. Daarom moet er selectief worden omgegaan met gene silencing. Ondertussen blijft het wetenschappelijk onderzoek nieuwe inzichten opleveren in de werking van het genetisch complex. In 2007 besteedde het tijdschrift Nature aandacht aan nog lopend Amerikaans onderzoek dat er op wijst dat kleine stukjes RNA niet alleen genen kunnen stilleggen, maar hun expressie ook kunnen versterken.

67

Ag ro - i nocul ati e

Er zijn ook nieuwe technieken gekomen om planten te modificeren. Bij agro-inoculatie worden plantendelen in contact gebracht met genetisch gemodificeerde bacteriën van de soort Agrobacterium tumefaciens. Het vermogen van deze bacterie om plantencellen met zijn genetisch materiaal te infecteren wordt veelvuldig gebruikt bij de genetische modificatie van planten. Daarbij wordt een specifiek DNA-fragment van de bacterie naar de plant overgedragen: het ‘transfer-DNA’ of kortweg T-DNA. Dit T-DNA is afkomstig van het ringvormig DNA van de bacterie, dat verantwoordelijk is voor de vorming van tumoren. Bij genetische modificatie worden de tumorinducerende (Ti) genen op het T-DNA vervangen door één of meerdere genen die verantwoordelijk zijn voor de gewenste eigenschap. Het veranderde T-DNA wordt op dezelfde wijze als het natuurlijke T-DNA in het plantengenoom geïntegreerd. Vanwege de afwezigheid van Ti-genen blijft tumorvorming in dit geval uit en kunnen uit de plantencellen met T-DNA in hun genoom transgene planten worden gekweekt met de gewenste eigenschap. In de praktijk wordt vooral gewerkt met delen van de plant die in staat zijn efficiënt weer tot een volwassen plant uit te groeien. Bij agro-inoculatie is het niet de bedoeling om transgene planten uit de gemodificeerde cellen te kweken. De bacterie wordt met behulp van een injectiespuit in de plant (meestal een blad) gespoten. Het T-DNA komt dan in het geïnfecteerde weefsel tot expressie. Overdracht van het T-DNA naar de kern van de plantencel hoeft hierbij niet te leiden tot integratie van het T-DNA in het genoom. De expressie van genen op het T-DNA is dan van voorbijgaande aard

E e n

d y n a m i s c h e


Agro-inoculatie

(transient). Het T-DNA komt niet in de zaden terecht en is dus niet overerfbaar. Maar met agro-inoculatie kunnen epigenetische veranderingen in de plant en mogelijk ook in het zaad worden bewerkstelligd. Het inbrengen van een transgen kan bijvoorbeeld tot gevolg hebben dat genen in de plant worden stilgelegd. De gevolgen van stillegging hoeven daarbij niet beperkt te blijven tot de inoculatieplaats maar kunnen zich doorzetten in de overige delen van de plant en mogelijk zelfs van invloed zijn op de zaadzetting. De veredelingsfirma Rijk Zwaan gebruikt agro-inoculatie voor kasexperimenten gericht op de verbetering van de landbouwkundige kenmerken van groentengewassen. Rijk Zwaan heeft bij het ministerie van VROM de vraag neergelegd of agro-inoculatie onder de definitie van genetisch gemodificeerde organismen valt. In 2004 gaf de COGEM hierover advies. Het adviesorgaan kon geen uitsluitsel geven over de vraag of agro-geïnoculeerde planten genetisch gemodificeerde organismen zijn.

68

dertig van de twintigste eeuw ontwikkeld zijn. Hybride rassen hebben een hogere opbrengst Inperking gebruik transgene gewassen

en zijn meer uniform, waardoor mechanisatie

en biologische inperking

mogelijk is, maar het zaad hiervan is veel minder kiemkrachtig.

In 1999 werd aan het Amerikaanse ministe-

Er is inmiddels voor transgene gewassen

rie van Landbouw en katoenveredelaar Delta

een groot aantal GURT’s ontwikkeld, die in

& Pine Land een octrooi verleend op een zoge-

twee verschillende typen onderscheiden wor-

heten Genetic Use Restriction Technology

den. Wanneer een transgene plant van een V-

(GURT). Letterlijk vertaald betreft het een

GURT wordt voorzien, dan wordt er wel zaad

technologie voor beperking van genetisch

gevormd, maar dat zaad kan niet kiemen tenzij

gebruik. Deze GURT is een genetische scha-

het zaad met een bepaalde stof wordt behan-

kelaar die ervoor zorgt dat het zaad dat door

deld. In het geval van een T-GURT moet een

boeren wordt geoogst niet meer kan kiemen.

bepaalde stof gebruikt worden, die ervoor

Geïnspireerd door de science fiction film uit

zorgt dat de in plant ingebrachte transgene

1984 met Arnold Schwarzenegger in de hoofd-

eigenschap, bijvoorbeeld een ziekte-resisten-

rol werd deze GURT door tegenstanders van

tie, gaat functioneren.

transgene gewassen onmiddellijk als Termina-

Omdat transgene gewassen die met GURTs

tor-technologie bestempeld.

zijn toegerust zaden zonder kiemkracht vor-

Transgene gewassen waarin de Terminator-

men, wordt volgens biotechnologiebedrijven

technologie is toegepast produceren nog wel

en onderzoekers ook voorkomen dat transgene

zaad, maar dat zaad is niet meer in staat te

gewassen verwilderen of dat transgenen via

kiemen en is dus steriel. Dat aspect leidde tot

uitkruising zich in het milieu verspreiden. Ook

felle oppositie tegen toepassing van deze tech-

menen sommigen dat het als een instrument

nologie. Dankzij de steriele zaden zijn boeren

kan worden gebruikt om de coëxistentie van

namelijk gedwongen om ieder jaar nieuw zaai-

teelten met en zonder transgene gewassen te

goed aan te schaffen. Veel boeren in ontwik-

vereenvoudigen.

kelingslanden houden jaarlijks een deel van de oogst achter om het volgende seizoen weer

Vanwege bezwaren van landen als India en

te zaaien. Voor deze boeren zijn steriele zaden

Brazilië en door campagnes van tegenstanders

bezwaarlijk. Nu was dat ook de belangrijkste

van Terminator-technologie werd in 2000 tij-

drijfveer voor de ontwikkelaars van deze vorm

dens een bijeenkomst in het kader van het Ver-

van GURT. Boeren en andere zaaigoedbedrij-

enigde Naties Biodiversiteitsverdrag uit 1992

ven zijn dan immers niet in staat om de zaden

een moratorium op veldproeven en commerci-

te vermeerderen of te gebruiken voor verdere

alisering van transgene gewassen met GURTs

veredeling. Boeren in ontwikkelde landen hou-

ingesteld. Een poging van Australië, Canada

den veelal geen zaaigoed meer van hun oogst

en Nieuw-Zeeland in april 2006 om dit mora-

achter, omdat gebruik gemaakt wordt van

torium op te heffen mislukte. Tegenstanders

zogeheten hybride rassen die sinds de jaren

van Terminator-technologie vierden dit als

oo g s t

u i t

h e t

l a b

69

een grote overwinning. Verder onderzoek in

Parlement hebben aan de Europese Commis-

het laboratorium en kassen en evaluatie van

sie kritische vragen gesteld. Van de zeven ver-

de milieuveiligheid en sociaal-economische

schillende technologieën die in het project

gevolgen vallen niet onder dit moratorium.

onderzocht worden, vertoont er echter slechts één enige overeenkomst met Terminator-tech-

In mei 2006 is het Europese onderzoekspro-

nologie. Bovendien worden in alle gevallen ook

ject Transcontainer gestart, dat zal doorlopen

technieken toegepast, waarmee de vruchtbaar-

tot 2009. Het wordt mede gefinancierd met

heid hersteld kan worden, zodat de biologisch

een bijdrage van ruim vier miljoen euro uit

ingeperkte transgene gewassen voor verdere

het zesde kaderprogramma van de Europese

veredeling bruikbaar blijven.

Commissie. Er nemen tien publieke onderzoeksinstellingen uit acht lidstaten aan deel, evenals vier kleine en middelgrote bedrijven en het Deense zaadveredelingsbedrijf DLF-Trifolium, dat is gespecialiseerd in grassen en voedergewassen. In dit project wor-

I ntr age n ese e n cisge n ese te r

den diverse mogelijkheden onderzocht, zoals

discussi e

chloroplast-transformatie, mannelijke steriliteit, parthenocarpie (vorming van zaadloze vruchten) en/of het onderdrukken van de bloei bij koolzaad, suikerbiet, tomaat, aubergine, raaigrassen, populier en berk, met als doel het verspreiden van transgenen vanuit transgene gewassen naar niet-transgene gewassen en wilde verwanten in de natuur biologisch in te perken. Daarbij wordt ook gekeken naar de agronomische eigenschappen, kostenaspecten (inclusief kosten voor bioveiligheidsregulering en aansprakelijkheid), gezondheidsaspecten en de betekenis voor coëxistentie. Hiernaast wordt er aandacht besteed aan de acceptatie door belangengroeperingen en het brede publiek van deze biologisch ingeperkte transgene gewassen voor het vergemakkelijken van coëxistentie. Dit onderzoek is direct door tegenstanders van transgene gewassen geassocieerd met de fel bekritiseerde Terminator-technologie. Duitse groene vertegenwoordigers in het Europese

E e n

d y n a m i s c h e


Over het algemeen wordt bij de genetische modificatie van planten gebruik gemaakt van een of meerdere stukken DNA die van andere soorten afkomstig zijn. Zo wordt in veel gevallen gebruik gemaakt van een promoter uit het bloemkoolmozaïekvirus, die er voor zorgt dat het aflezen van een gen, dat achter de promoter ligt, wordt gestart. Ook de terminator die er voor zorgt dat het aflezen van een gen op de juiste plaats stopt, is vaak uit andere soorten afkomstig. Daarnaast wordt er veelvuldig gebruik gemaakt van merkergenen die coderen voor antibioticumresistentie en die afkomstig zijn uit micro-organismen of dieren. Ook de genen die coderen voor de nieuwe, gewenste eigenschap zijn vaak afkomstig van micro-organismen, dieren of andere plantensoorten. Zo zijn de veel toegepaste herbicideresistentiegenen en Bt-genen voor insectenresistentie afkomstig van micro-organismen.

70

Bt innoculatie Foto: Scott Bauer, USDA, Agricultural Research Service

Het gebruik van dergelijke ‘soortvreemde’ genen stuit bij veel burgers op ethische bezwaren vanwege het doorbreken van soortgrenzen (zie ook hoofdstuk over natuuropvattingen). Daarnaast vinden ontwikkelaars van genetisch gemodificeerde plantenrassen dat de toelatingsprocedures in de Europese Unie voor veel vertraging zorgen. Daarom zijn onderzoekers gaan kijken of het mogelijk is om de meer gerichte benadering van de recombinant DNAtechniek zodanig toe te passen, dat de genetisch gemodificeerde planten geen soortvreemd DNA meer bevatten. Om dat te bewerkstelligen wordt niet alleen gezocht naar genen uit kruis-

oo g s t

u i t

h e t

l a b

bare verwanten die coderen voor gewenste eigenschappen, zoals ziekteresistenties, maar ook naar planteigen promoter- en terminatorsequenties. Daarnaast gebruikt men technieken om de planten merkervrij te maken. Ten onderscheid van de ‘transgenese’ met soortvreemde genen wordt deze benadering aangeduid met de term ‘intragenese’ of ‘cisgenese’. In het geval van cisgenese gebruikt men alleen genen in een combinatie met de promoter- en terminatorsequenties die in de oorspronkelijke plant reeds voorkomen. In het geval van intragenese kunnen er ook nieuwe combinaties van soorteigen genen en andere, soorteigen DNA-

71

sequenties worden gemaakt. In Wageningen wil men ‘cisgene’ aardappelen gaan maken met resistentie voor de gevreesde aardappelziekte Phytophtera infestans en ‘cisgene’ appelen met resistentie voor schurft. In de gangbare teelt van aardappel en appel is het gebruik van pesticiden voor een belangrijk deel tegen deze schimmelziektes gericht. Of de Europese autoriteiten er uiteindelijk mee zullen instemmen dat ‘intragene’ of ‘cisgene’ planten net als mutagene planten worden vrijgesteld van de milieuregelgeving moet nog worden afgewacht. De staatssecretaris van VROM liet eind 2005 in een brief aan de Tweede Kamer weten wat betreft het ingeperkt gebruik, dus in het laboratorium en in de kas, te willen aanhaken bij de vrijstelling voor zelfgekloneerde micro-organismen (met gebruik van soorteigen genen). Het ministerie zou samen met de COGEM onderzoeken of een vergelijkbare vrijstelling van ingeperkt gebruik (in laboratorium of kas) voor zelfgekloneerde planten technisch-wetenschappelijk verantwoord is met het oog op de risico’s voor mens en milieu. Planten waarvan het erfelijk materiaal is veranderd door mutagenese zijn altijd al uitgezonderd geweeest van de regelgeving die geldt voor de beoordeling en afweging van de milieu-effecten van genetisch gemodificeerde organismen. In het geval van mutagenese worden goed groeiende delen van planten met straling of chemische stoffen behandeld. Dat leidt tot beschadigingen in het DNA van de cellen. Het is een willekeurig proces, waarbij het scala aan beschadigingen in iedere cel verschillend is. Men weet pas of het tot interessante nieuwe eigenschappen leidt wanneer de behandelde cellen weer tot een volledige plant zijn uitge-

E e n

d y n a m i s c h e


groeid. Bij mutagenese wordt er alleen iets veranderd in het bestaande DNA van de plant en wordt er geen nieuw, soortvreemd DNA toegevoegd. Door de ongerichtheid van de mutaties die teweeg worden gebracht is mutagenese een nogal omslachtige techniek. Het gebruik van recombinant DNA-technieken is verhoudingsgewijs veel gerichter.

B ionanotech nolog i e

Rond 1990 was er nog nauwelijks sprake van bionanotechnologie, maar anno 2008 is dit een belangrijk veld geworden, waarvan onderzoekers veel verwachten. Met de bionanotechnologie hopen onderzoekers heel gericht, op nanoniveau producten te ‘bouwen’. ‘Nano’ is afgeleid van het Griekse woord voor ‘dwerg’. In de natuurwetenschap wordt het als voervoegsel gebruikt voor een miljardste deel (= 0,000000001). Eén nanometer (nm) is een miljardste meter, of een duizendste millimeter. Dat is een afmeting die tienduizenden keren kleiner is dan de dikte van een menselijk haar. Het is de schaal van atomen en moleculen. Manipuleren op nanoschaal is na 1950 in zwang gekomen en dit kan op twee manieren: ‘topdown’ en ‘bottom-up’. Bij top-down manipulatie worden vanuit grotere structuren kleinere gemaakt door steeds verder te miniaturiseren. Dat gebeurt bijvoorbeeld door het gebruik van steeds geavanceerder laser- en etstechnieken waarmee steeds kleinere microchips worden gemaakt. In de bottom-up benadering worden individuele atomen en moleculen zodanig onderling gerangschikt en aan elkaar gekoppeld, dat het nieuwe structuren oplevert met geheel nieuwe eigenschappen. Een bekend voorbeeld

72

hiervan zijn de nanobuisjes, opgebouwd uit koolstofatomen, maar met geheel andere eigenschappen dan de koolstofmaterialen die we al lange tijd kenden. In principe is het gebruik van DNA-moleculen als bouwstenen voor nieuwe DNA- en eiwitstructuren en het manipuleren van cellen ook een vorm van bottum-up nanotechnologie. Daarbij kunnen de biologische functies en kenmerken van DNA, eiwitten of cellen worden gecombineerd met de functies van niet-biologische elementen en materialen. Dat is het terrein van de bionanotechnologie. Er zijn verschillende toepassingsmogelijkheden van bio-nanotechnologie. Allereerst kan er gebruik worden gemaakt van moleculaire biologische elementen om een nanosysteem met specifieke biologische eigenschappen te creëren. Zo kan een proceson-a-chip worden ontwikkeld, waarbij enzymen verschillende, opeenvolgende biochemische processtappen voor hun rekening nemen. Zo’n proces-on-a-chip is uiteraard interessant voor het onderzoek, maar zou ook gebruikt kunnen worden als zeer efficiënte methode om agrarische grondstoffen te bewerken voor verder gebruik in voedingsmiddelen of voor de productie van chemicaliën. Dan zijn het in feite nanofabriekjes. Het probleem is alleen dat de hoeveelheden die met dergelijke nanofabriekjes worden geproduceerd veel te gering zijn. De oplossing voor dat probleem is het stapelen van een groot aantal nanofabriekjes. Voorwaarde is uiteraard dat dergelijke fabriekjes goedkoop zijn. Een van de manieren om dat voor elkaar te krijgen is ‘zelf-assemblage’: kleine moleculaire nanofabriekjes (assemblers) die zichzelf kunnen reproduceren. Dit principe van zelf-assemblage is in 1986 voor het eerst beschreven in Eric Drexler’s Engines of Creation. Het schrikbeeld bij de ont-

oo g s t

u i t

h e t

l a b

wikkeling van zulke zelfreplicerende nanomachientjes is uiteraard de ongecontroleerde verspreiding ervan, waarbij de denkbare negatieve effecten op mens en milieu die van de gentechnologie verre overtreffen. Drexler zelf duidde op het gevaar van het ontstaan van een grey goo – een ‘ondefinieerbaar goedje’, een ‘levende’ entiteit – die zich makkelijk aan uiteenlopende omstandigheden zou kunnen aanpassen. Deze grey goo-dreiging vormt het uitgangspunt van Prooi, een science ficton-roman van Michael Crichton. Er is onder wetenschappers discussie of het mogelijk zal worden om met een universal assembler op basis van het biologische principe van zelfreplicatie een groot aantal nanofabriekjes te maken. Hoewel de natuur bol staat van systemen die zichzelf repliceren, wijzen sommige onderzoekers erop dat biologische systemen alleen onder specifieke omstandigheden en met een complex instrumentarium hiertoe in staat zijn. Volgens hen is het idee dat mensen dit zouden kunnen nabootsen met anorganische structuren pure science fiction. Anderen zijn er echter van overtuigd dat dit in de (verre) toekomst wel degelijk tot de mogelijkheden zal behoren. Drexler denkt nog steeds dat het ontwikkelen van dergelijke zelfreplicerende nanomachientjes in de verre toekomst mogelijk is, maar ziet het nu als onnodig ingewikkeld en inefficiënt. Een simpeler, efficiëntere en veiliger benadering is het op nanoschaal maken van ‘gereedschappen’ en die te gebruiken bij de productie van de gewenste producten. DNA, eiwitten en virussen blijken ook geschikt voor de productie van anorganische structuren als halfgeleiders en magnetische materialen. De huidige fabricageprocessen voor micro- en nanostructuren zijn complex.

73

Laboratorium op een chip Een van de technieken waardoor het genoomonderzoek in een stroomversnelling is geraakt, is die van de volledig geautomatiseerde analyse van DNA-volgorden met micro-elektronica. Naast de zogeheten micro-arrays, ook wel biochips genoemd, wordt er in de Verenigde Staten, Europa en Japan volop gewerkt aan toepassingen van Lab-on-a-Chip (LoC). Beide maken gebruik van fabricagetechnieken afkomstig uit de micro-elektronica. Ze zulLab-on-a-chip Foto: National Space Biomedical Research Institute Houston, Texas

len naar verwachting vooral het gezicht bepalen van de genetica en de gezondheidszorg in de eenentwintigste eeuw, maar kennen ook toepassingsmogelijkheden bij de controle op voedselveiligheid en het plantenonderzoek.

Ze moeten vaak in vacuüm en bij gecontroleerde temperaturen in chips-fabrieken worden uitgevoerd. Daarentegen zijn micro-organismen met beperkte middelen en onder verschillende omstandigheden in staat om zeer complexe siliciumstructuren te bouwen. Onderzoek op dit gebied kan leiden tot veranderde micro-organismen en eiwitten met nieuwe bio-katalytische eigenschappen voor de productie van chips en andere nanostructuren. Op het moment vindt het meeste onderzoek plaats door publieke kennisinstellingen, maar ook sommige bedrijven zijn geïnteresseerd geraakt in de bionanotechnologie. Zo hebben Dow Corning met haar expertise in siliciumchemie en Genencor met haar expertise in eiwitchemie een alliantie gesloten met als doel bionanotechnologie te gebruiken voor de productie van siliciumchips. Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology gebruikten in 2005

E e n

d y n a m i s c h e


Micro-arrays bestaan uit plaatjes van glas, kunststof of silicium met op het oppervlak een regelmatig patroon van stukken DNA waarvan de basenvolgorde bekend is. Vervolgens wordt uit een onbekend monster DNA gehaald, dat wordt voorzien van een label dat er voor zorgt dat het DNA een zwak groen licht uitstraalt (fluorescentie). Hetzelfde wordt gedaan met een DNA-monster waarvan de herkomst bekend is, maar dan met een rood fluorescentielabel. Daarna worden beide monsters over de micro-array geleid. Waar het DNA van de monsters bindt aan de DNA-fragmenten op de micro-array zullen de punten oplichten in rood, groen of geel (rood + groen). Zo ontstaat een fluorescentiepatroon waaruit informatie kan worden gehaald over de DNA-samenstelling van het onbekende DNA-monster. Daarmee zijn micro-arrays erg geschikt voor het genetisch onderzoek, met name waar het gaat

74

om het in kaart brengen van verschillen tussen

mische analyse als toepassingsgebieden in

individuen van dezelfde soort. Er zijn micro-

aanmerking. In het genoomonderzoek wor-

arrays ontwikkeld voor DNA-sequenties van

den deze chips gebruikt voor analyse van

onder meer de mens, muis, rat, zebravis, fruit-

DNA, voor behandeling van DNA-monsters

vlieg, rund, kip, varken, citrus, populier, maïs,

en de synthese en analyse van eiwitten. In

tarwe, gerst, rijst, tabak, tomaat en soja.

de gezondheidszorg kan gedacht worden aan

Een praktisch voorbeeld van het gebruik van

systemen voor bloedanalyse, bijvoorbeeld voor

micro-arrays is een toepassing die is ontwik-

het bepalen van de suikerconcentratie in bloed.

keld door de Nederlandse drinkwaterbedrij-

In de chemische industrie zullen de chips wor-

ven en TNO. Het gaat om een micro-array met

den toegepast voor de analyse van chemische

DNA-fragmenten die kenmerkend zijn voor

reactieproducten. In de milieucontrole vinden

de bacterie Legionella, veroorzaker van de

de chips hun toepassing in het monitoren van

beruchte veteranenziekte. Met deze microar-

bijvoorbeeld de waterkwaliteit of het dioxine-

ray kan men dus heel snel testen of drinkwa-

gehalte in de lucht.

terinstallaties zijn besmet met deze schade-

Indien LoC-systemen, volgens voorspellingen,

lijke bacterie. Vergelijkbare toepassingen zijn

in 2010 de conventionele apparatuur over het

mogelijk met het detecteren van besmetting

volledige toepassingsspectrum vervangen, zou

van voedsel met ziekteverwekkers als Salmo-

de totale marktwaarde zo’n 1,2 miljard Euro

nella en Campylobacter.

bedragen. De markt voor microarrays zal nog

De term Lab-on-a-Chip (LoC) staat voor het

groter zijn. Deze wordt geschat op zo’n 2,9 mil-

analyseren of het maken van (bio)chemicaliën

jard Euro in 2010.

op een chip, wat normaal gesproken uitgevoerd zou moeten worden in een gewoon laboratorium. LoC’s bestaan net als microarrays uit plaatjes van glas, kunststof of silicium maar dan met minuscule putjes of kanaalstructuurtjes waarin reacties en analyses kunnen plaatsvinden. Het is ook mogelijk om in zo’n chip minuscule elektroden, micropompen, kleppen en detectiemechanismen als biosensoren of fotodiodes te integreren. De ultieme LoC is in staat een volledige (bio)chemische analyse uit te voeren, inclusief alle voorbewerkingsstappen. De LoC-technologie is nieuw en verkeert nog voor een groot gedeelte in de onderzoeksfase. Hoewel de meeste commerciële toepassingen van LoC-technologie in de biotechnologie worden gevonden, komen ook milieumonitoring, gezondheidszorg en che-

oo g s t

u i t

h e t

l a b

een gentechvariant van het virus M13 om bij kamertemperatuur van kobaltoxide en goud een nano-elektrode te maken. Het gentechvirus is zodanig veranderd dat een eiwit van zijn mantel in staat is om nano-deeltjes van goud te binden. Vervolgens wordt het voorzien van een coating van kobaltoxide. Dit gentechvirus met gouddeeltjes en kobaltoxide assembleert zichzelf in dunne vlakken op een laag van polymeren. Op deze wijze kan een nano-elektrode wordt gemaakt die geschikt is voor toepassing in een lithiumbatterij.

75

Een tweede richting betreft het gebruik van complete biologische systemen. Zo zijn antennes van insecten zeer gevoelig voor bepaalde stoffen. Vaak hebben ze aan enkele moleculen genoeg om een signaal te genereren. Door dergelijke antennes aan elektronische sensoren te koppelen kunnen die signalen worden gemeten. Daarnaast wordt er geëxperimenteerd met combinaties van levende (of dode) cellen met micro-elektronica. In de Verenigde Staten is een zeer gevoelige vochtsensor ontwikkeld door gebruik te maken van een standaardchip met gouden elektroden, waarop een coating is aangebracht van Bacillus cereus bacteriën. De bacteriën vormen verbindingsschakels tussen de elektroden. Vervolgens zijn de chips ‘gewassen’ met een oplossing met gouddeeltjes met een doorsnede van ongeveer 30 nanometer. De gouddeeltjes zijn bedekt met eiwitten die zorgen voor hechting van de deeltjes aan de bacteriën. Het resulterende goudlaagje op de bacteriën kan elektrische stroompjes geleiden. Als de luchtvochtigheid toeneemt, zwelt de bacterie op. Daarmee neemt de onderlinge afstand tussen de gouddeeltjes waarmee de bacterie is bedekt enigszins toe (tot 0,2 nanometer). Daardoor wordt het iets moeilijker voor elektronen om van het ene gouddeeltje naar het andere over te springen en neemt de hoeveelheid stroom die over de bacteriële verbinding tussen de elektroden vloeit iets af. De gemeten stroomsterkte is dan een maat voor het vochtgehalte. Met vergelijkbare systemen kunnen ook minimale sporen van toxische stoffen worden gedetecteerd, zoals zware metalen in vis of aflatoxines in granen. Een derde type toepassing maakt gebruik van de eigenschap van monoclonale antilichamen

E e n

d y n a m i s c h e


– een bepaald type eiwitten – die zich zeer specifiek kunnen binden aan bepaalde cellen. Daarmee zijn ze bruikbaar als opsporingsmechanisme voor bepaalde lichaamscellen. Door microsensoren aan dergelijke antilichamen te koppelen kunnen deze in een levend biologisch systeem (een lichaam) heel gericht naar bepaalde cellen worden gestuurd, waarna er iets aan de cellen kan worden gemeten. Door dergelijke antilichamen te koppelen aan chemische stoffen kunnen kankercellen heel specifiek met chemotherapeutica worden behandeld, zonder de gezonde lichaamscellen aan te tasten.

Synth e tisch e b iolog i e: h e t cr e ë r e n van n i euw le ve nsvor me n

Verwant met de bionanotechnologie is een ander veld waar momenteel veel van wordt verwacht en dat is de zogeheten synthetische biologie. Dit is een vorm van biotechnologie waarbij, volgens de synthetisch biologen zelf, niet langer meer natuurlijke organismen met gentechnologie worden aangepast, maar waarbij geheel nieuwe organismen worden geconstrueerd. Dit met hulp van de DNA-synthese-machines en computermodellen. Op 17 januari 2006 verscheen er een artikel in de New York Times onder de titel: Custommade Microbes, at your service. Beschreven werd hoe biologen uit Texas bacteriën hadden gemaakt die in meerkleurige patronen licht kunnen geven. Ze hadden ook bacteriën gemaakt die na belichting zwart kleuren, waardoor ze als een soort fotografische plaat een afbeelding kunnen vormen. Dit zijn geen bacteriën die in de natuur voorkomen of die daarop

76

Craig Venter Foto: Boston University

lijken. Het ingebrachte DNA wordt wel gewoon vertaald in eiwitten, net als in natuurlijke bacteriën. Maar de ingebrachte genen zijn deels door de ingenieurs ontworpen en vervolgens gemaakt door een DNA-synthese-machine. Bepaalde eigenschappen van die bacterie komen dan ook niet in de natuur voor en in die zin is de bacterie dus kunstmatig. “Dit is de stap waar we het met elkaar steeds over hebben gehad. Hiermee gaan we over van het lezen van het DNA naar het schrijven ervan”, aldus Craig Venter, oprichter van Synthetic Genomics Inc., in een interview in de Wall

oo g s t

u i t

h e t

l a b

Street Journal van juni 2005. Craig Venter is dan vooral nog bekend als directeur van het bedrijf Celera, dat rond de eeuwwisseling zo’n belangrijke rol speelt bij het in kaart brengen van het menselijk genoom. Na dit kunststukje heeft hij zich een nieuw doel gesteld: het creëren van nieuwe biologische systemen. Of meer concreet: het ontwerpen van energieproducerende micro-organismen. Op de website spreekt Synthetic Genomics van de synthese en assemblage van ‘specifically engineered cell level bio-factories’. Het doel is om in het laboratorium een complete set genen, of een genoom

77

te synthetiseren met een DNA-synthese-machine en die te laten functioneren in een ééncellig organisme. Het genoom is dan niet meer iets dat uit levende organismen wordt gehaald zoals die in de natuur worden aangetroffen, om daarna eventueel te worden aangepast, maar een eenheid die op maat kan worden opgebouwd uit modules. In 2005 wist Venter diverse vermogende investeerders zo ver te krijgen dat ze 30 miljoen dollar vrijmaakten om dit project mogelijk te maken. Daarnaast wist hij 12 miljoen dollar los te krijgen van het Amerikaanse Ministerie van Energie. De onderzoekers van Synthetic Genomics proberen een beeld te krijgen van de minimale set genen die nodig is om een micro-organisme te laten werken. Daarbij is in eerste instantie gekozen voor Mycoplasma genitalium, dat het kleinste genoom heeft van alle organismen die men onder kunstmatige omstandigheden kan laten groeien. Door steeds genen uit te schakelen is nagegaan welke genen essentieel zijn voor de groei. In januari 2006 werden de eerste bevindingen gepubliceerd: tenminste 100 van de 482 genen bleken niet-essentieel te zijn. Bij deze tamelijk nieuwe vorm van moleculaire biologie gaat het om het bouwen van ‘genetische netwerken’. Deze netwerken zijn opgebouwd uit basiselementen die elkaar beïnvloeden. Natuurlijke genomen kunnen in feite ook worden beschouwd als ‘genetische netwerken’, maar dan wel netwerken die gedurende de evolutie volledig op elkaar zijn afgestemd. In synthetische netwerken is die afstemming cruciaal en allesbehalve eenvoudig. Daarom wordt er computersoftware ontwikkeld om het gedrag van kunstmatige genetische netwerken na te bootsen en te voorspellen. BioSPICE is een ‘open broncode’-project, waarin biologen,

E e n

d y n a m i s c h e


software-experts en wiskundigen sinds 2001 samenwerken om dergelijke software te ontwikkelen. Daarmee hoopt men complexe ‘schakelingen’ te kunnen ontwikkelen, net zoals ontwerpers van elektronica die gebruik maken van transistoren, weerstanden, schakelaars en micro-chips. Sommige onderzoekers menen dat de benodigde software dan niet meer wordt geschreven in enen en nullen (digitaal), maar in DNA-sequenties. “Wij willen voor de biologie doen wat Intel voor de micro-elektronica doet”, zegt George Church, hoogleraar genetica aan de Harvard Universiteit en toonaangevend onderzoeker op dit terrein. “We willen gecompliceerde biologische schakelingen ontwerpen en fabriceren.” Inmiddels lijkt het synthetiseren van genen een koud kunstje. Afhankelijk van de lengte van de gevraagde DNA-sequentie moet begin 2008 tussen de 69 en 99 dollarcent per basepaar worden betaald. De methoden zijn nog tamelijk foutgevoelig, maar worden steeds accurater. Het bedrijf Blue Heron zegt over technologie te beschikken waarmee genen tot een lengte van meer dan 40.000 baseparen zeer accuraat

Bron: www.geneart.com

78

gesynthetiseerd kunnen worden. Het bedrijf profileert zich met de vier A’s: Alle Sequenties, Alle graden van Complexiteit, Alle Groottes en Alle denkbare Mutaties. In juni 2005 kreeg Blue Heron concurrentie toen diverse financiers besloten om 13 miljoen dollar te investeren in een nieuw bedrijf in Cambridge, Massachusetts, onder de naam CODON Devices. Ook dit bedrijf wil zich toeleggen op de productie van lange DNA-ketens tegen betaalbare prijzen. In juli 2006 maakte CODON Devices bekend een foutloze DNA-streng van 35.000 baseparen te kunnen synthetiseren. Zo’n DNAstreng kan tien of meer genen bevatten. Onderzoek met dergelijke DNA-strengen kan meer inzicht verschaffen in het functioneren van genencombinaties. Het bedrijf denkt binnen twee jaar DNA-strengen van 100.000 baseparen te kunnen synthetiseren en verwacht daarna door te kunnen ontwikkelen in de richting van een miljoen baseparen. De verwachtingen van het bedrijf zijn in lijn met een analyse van de ontwikkelingen in de snelheid en kosten van DNAanalyse en -synthese die in 2003 door Robert Carlson is gemaakt. Die analyse vertoont een patroon dat vergelijkbaar is met de verdubbeling van de snelheid van microchips om de 18 maanden en die bekend staat als de wet van Moore. Inmiddels zijn er wereldwijd meer dan 70 bedrijven die gesynthetiseerd DNA leveren, ook in Nederland en België. Het Duitse Geneart, in 1999 gestart met het aanbieden faciliteiten voor het sequencen van DNA, houdt zich anno 2008 ook bezig met DNA-synthese en is uitgegroeid tot een bedrijf met meer dan 140 werknemers. Om het allemaal nog eens makkelijker te maken heeft een onderzoeksgroep van het Massachusetts Institute of Technology een catalogus

oo g s t

u i t

h e t

l a b

op het Internet gezet met zogeheten ‘BioBricks’, biologische bouwstenen. Deze BioBricks zijn stukjes DNA die coderen voor specifieke functies. In een bottom-up benadering worden uit DNA bestaande onderdelen beschreven die een specifieke biochemische functie hebben. Die onderdelen worden opgenomen in de BioBrick catalogus. Bij ieder onderdeel van de catalogus wordt beschreven wat de DNA-volgorde is en voor welke biochemische processtap(pen) het zorgt. De catalogus bevat zodoende bouwstenen waarmee ingenieurs verschillende opeenvolgende bioprocesstappen kunnen ontwerpen, vergelijkbaar met hoe ontwerpers van electronica gebruik maken van transistoren, diodes, weerstanden, enzovoort. In augustus 2002 publiceerden onderzoekers van de State University van New York een artikel in Science, waarin ze uiteenzetten hoe ze er in twee jaar tijd in zijn geslaagd om het poliovirus in het laboratorium na te bouwen. In de daarop volgende jaren zijn de technieken snel verbeterd. In 2003 meldden onderzoekers van het Institute for Biological Energy Alternatives dat ze er samen met Craig Venter in zijn geslaagd om in drie weken een klein, 5.000 baseparen tellend, kunstmatig virusgenoom te ontwikkelen. Een stukje longweefsel van een soldaat die in 1918 op 21-jarige leeftijd in South Carolina was overleden, maakte het mogelijk om in 2003 over de volledige DNA-volgorde van het Spaanse griepvirus te beschikken. In 2005 beschreven Amerikaanse onderzoekers in het wetenschappelijk tijdschrift Science hoe ze erin slaagden om kunstmatig het erfelijk materiaal van dit virus te synthetiseren.

79

in kaart brengen van de DNA-volgorde het humaan genoom. Via Celera’s onderzoek, Craig Venter: nieuwe Darwin of

dat mogelijk werd gemaakt door een private

moderne versie van kapitein Haak?

investering van 300 miljoen dollar door Perkin-Elmer, een producent van analyseappara-

Craig Venter wordt beschouwd als één van de

tuur, zou de DNA-volgorde in private handen

drijvende krachten achter de ontwikkeling van

komen. Publieke instellingen die samen-

de synthetische biologie. Een overzicht van

werkten in het Humaan Genoom Project, dat

zijn activiteiten van de afgelopen vijftien jaar

beschikte over een budget van 3 miljard dol-

schetst een beeld van een indrukwekkende, op

lar, slaagden er echter in die poging tot privati-

vooruitgangsgeloof gebaseerde en commerci-

sering tegen te houden. Toen in 2002 duidelijk

eel geïnspireerde dadendrang van een contro-

werd dat het niet zou lukken om gegevens over

versieel wetenschapper met veel lef.

het humane genoom te commercialiseren werd

In 1992 richtte Craig Venter The Institute for

Venter door Celera ontslagen. Celera richt zich

Genomic Research (TIGR) op. TIGR wordt

nu op de ontwikkeling van diagnostica op basis

onder meer financieel gesteund door de Natio-

van genen en eiwitten, en werkt daarbij onder

nal Institutes of Health, de US Defense Advan-

meer samen met Abbott Labs.

ced Research Projects Agency en Human

Na zijn avontuur met Celera Genomics ging

Genome Sciences Inc. De laatste houdt zich

Venter onverdroten voort en richtte hij The

bezig met de ontwikkeling van diagnostica en

Center for the Advancement of Genomics

medicijnen, en had op dat moment een over-

(TCAG) op. Dat is een non-profit beleidscen-

eenkomst voor genoomonderzoek met de far-

trum waar de maatschappelijke en ethische

magigant (Glaxo) SmithKline Beecham. Dank-

aspecten van genoomonderzoek worden bestu-

zij die financiële steun wist TIGR in 1995 als

deerd. Vrijwel gelijktijdig richtte hij het Insti-

eerste de DNA-volgorde van een levend orga-

tute for Biological Energy Alternatives (IBEA)

nisme in kaart te brengen, de bacterie Hae-

op. Ook dat is een non-profit organisatie. IBEA

mophilus influenzae, gevolgd door een DNA-

doet onderzoek naar het gebruik van genoom-

kaart van Mycoplasma genitalium in 1996.

kennis en gentechnologie voor efficiënte pro-

Daarmee ontwikkelde TIGR zich tot hét

ductie van biobrandstoffen met een minimale

wereldcentrum wat betreft het bepalen van

CO2-uitstoot door micro-organismen. Daar-

de DNA-volgorde van het genoom van micro-

voor ontvangt IBEA 12 miljoen dollar steun

organismen. Daarnaast participeerde TIGR

van het Amerikaanse ministerie voor Energie.

in diverse genoomprojecten, waaronder het

In 2003 startte IBEA de Sorcerer I Expedi-

Humaan Genoom Project, dat met publieke

tie, een omvangrijk onderzoeksproject naar

middelen werd gefinancierd.

de microbiële biodiversiteit in de Sargasso-

Rond de eeuwwisseling kreeg Venter vooral

zee in de omgeving van de Bermuda eilan-

bekendheid als oprichter en directeur van

den. De onderzoekers identificeerden 1.800

Celera Genomics. Gelijktijdig met het Humaan

nieuwe soorten en 1,2 miljoen nieuwe genen.

Genoom Project richtte Venter zich op het

In 2004 kondigde Venter een vervolgexpeditie

E e n

d y n a m i s c h e


80

2007 gingen TIGR, IBEA en het Center for the Advancement of Genomics op in het J. Craig Venter Institute. In 2005 was Venter mede-oprichter van het Synthetic Genomics. Dit bedrijf kon worden gestart dankzij een kapitaalinjectie van 30 miljoen dollar, afkomstig van Draper Fisher Jurvetson, een verstrekker van venturekapitaal uit Silicon Valley en de Mexicaanse miljardair Alfonso Romo Garza. Garza is eigenaar van Pulsar Internacional, een agrobiotechnologieconsortium waaronder het zaadbedrijf Seminis Seeds viel voordat het werd overgenomen door Monsanto. Met Synthetic Genomics wil Venter gebruik maken van synthetische biologie voor het ontwikkelen van micro-organismen voor de productie van bio-ethanol en waterstof als alternatieve brandstoffen. Ondertussen is Synthetic Genomics belangBron: ETC Group (www.etcgroup.org)

rijke samenwerkingsverbanden aangegaan. Nadat de oliemaatschappij BP in 2006 de oprichting van het Energy Biosciences Institute in Californië en de start van een busines-

aan, de Sorcerer II. Een donatie van 9 mil-

sunit voor biobrandstoffen had aangekondigd,

joen dollar van de Gordon and Betty Moore

sloot het bedrijf juni 2007 een overeenkomst

Foundation werd gebruikt om langs de Noord-

met Synthetic Genomics voor onderzoek naar

Amerikaanse kust DNA te verzamelen en te

de omzetting van koolwaterstofverbindin-

analyseren. Met geld van het ministerie voor

gen met behulp van micro-organismen voor

Energie, de Craig Venter Science Foundation

de productie van schone brandstoffen. Enkele

en het Discovery Channel Quest Programma

weken later maakte Synthetic Genomics een

werden op verschillende zeeën micro-orga-

meerjarige samenwerkingsovereenkomst met

nismen verzameld en geanalyseerd. Inmid-

het Asiatic Centre for Genome Technology

dels heeft het instituut van Venter 7,7 miljoen

(ACGT) bekend. Deze samenwerking is gericht

nieuwe genen ontdekt.

op het in kaart brengen en analyseren van het

In 2004 richtte TIGR, waar Venter op dat

genoom van oliepalm. ACGT is een dochter-

moment nog voorzitter van de Raad van

onderneming van Asiatic Development Ber-

Bestuur was, het J. Craig Venter Institute

had, een bedrijf dat naast circa 150.000 hec-

op. Twee jaar later werd TIGR een afdeling

tare oliepalmplantages in Maleisië (Sabah) en

van Venters instituut en in het voorjaar van

Indonesië, diverse oliefabrieken bezit. Met de

oo g s t

u i t

h e t

l a b

81

genoomkennis willen de twee bedrijven olie-

diersoorten. Op basis van deze informatie ont-

palmen ontwikkelen die meer olie produceren

wikkelde Darwin zijn beroemde theorie over

en minder snel in de hoogte en onder drogere

het ontstaan van soorten. Een halve eeuw eer-

omstandigheden groeien.

der voer Joseph Banks op de Endeavour door

In juli 2007 publiceerden onderzoekers van

ongeveer dezelfde wateren. Hij beschreef tij-

het Venter Institute een geslaagde poging om

dens de drie jaar durende tocht zo’n 2.500

een volledig genoom van de ene bacteriesoort

nieuwe soorten planten en dieren. In samen-

(Mycoplasma mycoides) naar een andere,

werking met het Charles Darwin Research Sta-

verwante bacteriesoort (Mycoplasma capri-

tion heeft Venter zijn reis uitgestippeld in de

colum) over te brengen. Het overbrengen van

voetstappen van Darwin, langs dezelfde baaien

grote aantallen genen is een essentiële stap

en over dezelfde rotspaden. Venter gelooft dat

in de richting van het creëren van kunstma-

deze reis, evenals die van Darwin en Banks,

tig leven. Nog geen maand eerder haalde Syn-

vele nieuwe soorten zal opleveren. “Darwin

thetic Genomics het wereldnieuws dankzij

was beperkt door wat hij met zijn eigen ogen

toekenning van een octrooi door het Ame-

kon zien en kijk wat hij heeft kunnen bereiken”,

rikaanse Patentbureau op een Mycoplasma

licht Venter toe: “Wij willen in plaats hiervan

genitalium waarvan het aantal genen tot een

het gen als minimale eenheid gebruiken om

minimum is beperkt. Het was de eerste van

naar de evolutie te kijken.”

een reeks octrooiaanvragen op het maken van

Het Salk Institute for Biological studies schreef

synthetische organismen die door Synthetic

in een persbericht: “Hoewel de Galapagos-vin-

Genomics zijn ingediend. Een dergelijk ‘mini-

ken een sleutelrol speelden in de vorming van

maalgenoom-organisme’ moet gaan dienen

Darwin’s theorie over evolutie door natuur-

als ‘chassis’ voor het inpluggen van genencas-

lijke selectie, had hij geen notie van het belang

settes. Die genencassettes moeten vervolgens

van de vinken toen hij ze tijdens zijn reis op de

gerichte veranderingen in de stofwisseling

HMS Beagle verzamelde. Vergelijkbaar moei-

teweegbrengen, leidend tot optimale omzet-

lijk is te voorspellen wat de impact zal zijn van

ting van voedingsstoffen in een gewenst eind-

de enorme hoeveelheid marine microbieel

product. Volgens de actiegroep ETC uit Canada

DNA – verzameld tijdens de Sorcerer II Glo-

wil Venter hiermee de industrie domineren en

bale Oceaan Sampling Expeditie door J. Craig

de Microsoft van de synthetische biologie wor-

Venter, PhD. en zijn team – op ons begrip van

den. Wetenschappelijke commentatoren willen

de natuurlijke wereld.”

eerst zien of deze technologie werkelijk indu-

In 2006 schetste verslaggever Rosenwald van

strieel toepasbaar zal zijn en wijzen er boven-

de Washington Post het volgende beeld van

dien dat het octrooi vrij eenvoudig te omzei-

Venter: “Naast het verkrijgen van een drie jaar

len is.

oude baard door een Darwinesque tocht rond

Opvallend is Venters behoefte om zijn reis te

de wereld, heeft Venter tijdens zijn reis ook

vergelijken met die van Charles Darwin en van

een uitgebreide verzameling genetisch mate-

Joseph Banks. Darwin voer op het schip Bea-

riaal uit de zee gehaald – en dat is het ruwe

gle de wereld rond en ontdekte vele nieuwe

materiaal voor zijn alternatieve brandstofpro-

E e n

d y n a m i s c h e


82

gramma. Met 15 miljoen dollar van Garza heeft hij het nieuw bedrijf Synthetic Genomics Inc. in Rockville opgericht. Het is een kleine firma met klassieke Venter ambities. Schep leven. Gebruik het om brandstof te maken.” Maar er zijn ook organisaties als de actiegroep ETC die weinig zien in een ‘nieuwe Darwin’ en meer geneigd zijn Venter te beschouwen als een moderne versie van kapitein Haak. Voor hen is Venter vooral een biopiraat die genetisch materiaal uit zeeën opvist, soms zonder toestemming van landen die nog bezig zijn om wetgeving voor bescherming van de biodiversiteit op te zetten. Venter zegt geen octrooien

Nog een stap verder is het ontwikkelen van een alternatief genetisch alfabet. Het natuurlijke alfabet bestaat uit de vier letters van de basen die het DNA vormen: Adenine, Cytosine, Thymine en Guanine. Hun volgorde is bepalend voor de functie van een DNA-streng. Sinds 1990 wordt geprobeerd om een alternatief genetisch alfabet te ontwikkelen. Daarmee zou informatie aan het erfelijk materiaal kunnen worden toegevoegd. In 2004 slaagden onderzoekers er voor het eerst in om met behulp van PCR (Polymerase Chain Reaction, een techniek om DNA te kopiëren) een stukje DNA met twee onnatuurlijke basen te vermenigvuldigen.

aan te vragen op de gevonden genen, maar dat kan hij met behulp van deze genen wel op zelf gemaakte organismen. Kortom: Craig Venter kan beschouwd worden als een controversieel wetenschapper met veel lef, een groot ego en navenant grootse plannen. Het wekt dan ook geen verwondering dat hij in 2007 in de top-100 van meest invloedrijke mensen van het blad Time belandde.

Een andere benadering sluit aan bij die van Craig Venter’s Synthetic Biologics: niet-functionele DNA-segmenten worden opgespoord en verwijderd teneinde de genetische complexiteit van cellen te verminderen. Dergelijke minimaalgenoom organismen kunnen dienen als chassis waarin men gesynthetiseerde, op Biobricks gebaseerde genconstructen kan inbouwen. Op die manier denken onderzoekers routinematig synthetische organismen met exact het gewenste gedrag te kunnen bouwen.

oo g s t

u i t

h e t

l a b

Echte toepassingen van deze synthetische biologie zijn er anno 2008 nog niet, maar er wordt wel serieus aan gewerkt. Zo ontwikkelt het California Institute of Technology structuren die zijn opgebouwd uit biologische elementen die lichaamscellen tegen kanker moeten beschermen. Dankzij deze elementen moet de cel tijdig kunnen signaleren of een mechanisme in werking is getreden dat kanker veroorzaakt, waarna een gen wordt aangeschakeld dat leidt tot zelfdestructie van de cel. De kanker kan zich dan niet verder in het lichaam verspreiden. En de University of California, Berkeley maakt gebruik van een deel van de 42,6 miljoen dollar uit het Bill and Melinda Gates Fonds om 12 genen van de alsem (een plant uit China) en verschillende gistsoorten in de E. coli bacterie in te brengen om zo artemisine te produceren. Artemisine is een medicijn tegen malaria dat normaliter uit de alsemplant wordt gewonnen. Dat is echter een tijdrovend en kostbaar proces. Men hoopt dat de nieuwe benadering een veel goedkoper medicijn oplevert.

83

Aspergillus Bron: Contrat GmbH, Düsseldorf (www.schimmel-schimmelpilze.de)

Volgens het bedrijf Blue Heron zal het nog enkele decennia, of misschien zelfs wel een eeuw duren voordat er assemblagelijnen zijn waarop kunstmatige wezens worden geproduceerd. Daarbij moeten we dan vooral denken aan (relatief eenvoudige) micro-organismen. Maar het is niet onmogelijk dat dit veel eerder realiteit wordt. In de jacht op de ontrafeling van het menselijk genoom zijn er ook gigantische sprongen gemaakt in de ontwikkeling van software en supercomputers, waardoor de ontwik-

E e n

d y n a m i s c h e


keling achteraf gezien veel sneller verliep dan men vooraf dacht. Toch zullen er nog grotere doorbraken nodig zijn om een volledig begrip te krijgen van het complexe netwerk van de bioprocessen in levende cellen. Maar volgens Tom Knight van het Massachusetts Institute of Technology is dat de typische visie van een bioloog: “Een technisch ingenieur kijkt heel anders tegen de dingen aan. Een bioloog gaat naar z’n laboratorium, bestudeert een systeem en komt tot de conclusie dat het allemaal veel com-

84

Gemanipuleerd, gemodificeerd, cisgeen, ofwel gewoon GM-piepers In de discussies over biotechnologie zijn verschillende termen in zwang gekomen, die voor buitenstaanders niet altijd even begrijpelijk zijn. In de Engelstalige vakliteratuur wordt voor de recombinant-DNA-techniek sinds haar uitvinding in 1974 tot eind jaren ’80 meestal de term genetic engineering of genetic manipulation gebezigd. In het Nederlands vertaald: genetische manipulatie. In die periode wordt deze term in ons land algemeen gebruikt. Al snel roept deze technologie tal van maatschappelijke en ethische vragen op, en wordt ‘genetische manipulatie’ een beladen begrip. Vanuit de gedachte dat de term ‘manipulatie’ negaAardappelzetmeel Bron: Frauhofer Institut

tieve associaties oproept wordt vanuit het onderzoek en het bedrijfsleven de term genetische modificatie geïntroduceerd. Critici van de biotechnologie blijven echter hardnekkig de

plexer is dan men in eerste instantie dacht. Als bioloog vindt hij dat fantastisch. Hij kan veel tijd besteden aan het schrijven van artikelen over z’n bevindingen. Een technisch ingenieur gaat naar z’n laboratorium, doet dezelfde waarnemingen en denkt: ‘Hoe kan ik hier een oplossing voor bedenken?’. Ingenieurs munten uit in het elimineren van irrelevante complexiteit en zijn gericht op het bouwen van iets dat werkt en dat volledig begrepen wordt.”

term ‘genetische manipulatie’ hanteren. Ook wordt de term transgeen ingevoerd. Daarmee wordt eveneens recombinant-DNA bedoeld en wordt benadrukt dat een deel van het erfelijk materiaal van een genetisch gemodificeerd/ gemanipuleerd organisme uit een ander soort organisme afkomstig is. Na de eeuwwisseling menen sommigen dat het passender is om van een cisgeen organisme te spreken wanneer bij de recombinant-DNA-techniek alleen erfelijk materiaal van de soort wordt gebruikt. Ook maakt de term gentechnologie na de eeuwwisseling furore. Verder wordt voor genetisch gemodificeerd organisme in het Nederlands ook de afkorting ’ggo’ gebruikt. De Engelse afkorting van

oo g s t

u i t

h e t

l a b

85

genetically modified organism luidt GMO.

Anders gezegd: veel conventionele of gangbare

Voor levensmiddelen die bestaan uit ggo’s of

plantenveredelingstechnieken die sinds de

die bestanddelen van ggo’s bevatten, zijn onder

jaren dertig worden toegepast zijn volgens de

andere termen als GMvoedsel en gentechvoed-

Europese Richtlijn genetische modificatietech-

sel in gebruik geraakt.

nieken, maar alleen die technieken, waarbij

In de media is het niet ongebruikelijk om

recombinant-DNA-moleculen gehanteerd wor-

ingewikkelde termen te vereenvoudigen. Zo

den, vergen regelgevend toezicht.

wordt een genetisch gemodificeerde of transgene aardappel door kwaliteitskranten soms met ‘genetisch aangepaste’ of ‘erfelijk veranderde’ aardappel geduid. Ook termen als biotech- of gentechaardappel worden gebruikt. In de populaire pers is regelmatig sprake geweest van een ‘gen-pieper’. Het hoeft daarom geen verbazing te wekken dat veel mensen zijn gaan denken dat ze in het geval van conventionele aardappelen geen genen of DNA consumeren. Voor de regelgeving is van belang hoe de technologie juridisch is geformuleerd. De basisdefinitie van ‘genetische modificatie’ is opgenomen in de Europese Richtlijn 2001/18/EG voor het in het milieu brengen van genetisch gemodificeerde organismen: “het veranderen van erfelijk materiaal op een wijze die niet van nature voorkomt, zoals paring en/of natuurlijke recombinatie, bijvoorbeeld door middel van kruisbevruchting”. Deze Richtlijn stelt verder dat genetisch modificatie geschiedt door: 1. recombinant-DNA-technieken; 2. micro- en macro-injectie en micro-encapsulatietechnieken; en 3. cel- en protoplastfusie en -hybridisatie. Daaronder vallen ook technieken als mutagenese (met chemicaliën of bestraling) en in vitro bevruchting (in de reageerbuis), maar die zijn net als cel- en protoplastfusie en -hybridisatie van vergunningsplicht uitgesloten.

E e n

d y n a m i s c h e


o o g s t u i t h e t l a b

Recommend Documents