Uw zoekopdracht

Zoeken in een regio



God spelen
God spelen

God spelen

datum plaatsing

 dec-07

medium

 EOS

auteur

 Peter de Jaeger


Leven bouwen met legoblokken.

Wanneer de natuur wordt opgevat als onvolmaakte machinerie kun je die verbeteren via nieuwe ontwerpen.. De bioloog wordt ingenieur. Met nagemaakte DNA-legoblokken bouwt de synthetisch bioloog zelf levende cellen. De veelbelovende toepassingen zijn legio. Schone brandstoffen, goedkopere medicijnen en efficiënte vuilopruimers liggen in het verschiet. Maar critici waarschuwen voor de risico’s.

“Nadat we hebben geleerd hoe we het genoom moeten lezen, kunnen we het nu ook gaan schrijven”, dat zegt Craig Venter. Deze befaamde Amerikaanse wetenschapper heeft onder meer zijn strepen verdiend door zijn bijdrage aan de ontrafeling van het menselijk genoom. In juni dit jaar haalde hij opnieuw de wereldpers met een stuk in het tijdschrift Science. Hij slaagde er als eerste in het complete genoom van de ene bacteriesoort in een andere te zetten. Een belangrijke stap op weg naar synthetisch leven. Synthetische biologie is niets minder dan een verschuiving van het paradigma van de biotechnologie; van ingrijpen in bestaande levensvormen (genetische modificatie) naar zelf leven maken (van ontwerp naar uitvoering). Deze zomer verklaarden zeventien internationale topwetenschappers op een symposium in Groenland synthetische biologie tot de derde technologische revolutie. Mogelijk gemaakt door een samenspel van de eerste twee: geïntegreerd elektronische circuit, basis van moderne computertechniek en nanotechnologie, en de ontdekking van het DNA, die aan de wieg staat van de moleculaire biologie en gentechnieken. Synthetische biologie staat dus niet op zichzelf als wetenschappelijke discipline, maar is een ontwikkeling van met elkaar convergerende technologieën. Zonder geavanceerde informatietechnologie is het immers onmogelijk complexe biologische systemen te ontrafelen en opnieuw te ontwerpen. Nanotechnologie speelt een rol bij het bouwen van ruimtelijke structuren op ultramicroscopische schaal. DNA-moleculen hebben een diamater van twee nanometer. En vanzelfsprekend is kennis over celontwikkeling, stofwisselingsprocessen en signaalsystemen nodig voor het ontwerpproces van nieuw leven.
Dat nieuwe, kunstmatige leven kan op twee manieren worden verkregen. De top-downbenadering is gericht op deconstructie van bestaande biologische systemen, terwijl de bottom-upbenadering zich richt op constructie van aangepaste biologische systemen.
Er wordt al jaren gezocht naar het minimaal genoom. Dus wat is de minimale set genen die een levende cel nodig heeft. Sommige onderzoekers kozen voor Mycoplasma genitalium, met 517 genen het kleinste genoom van een organisme dat zich kan vermeerderen en overleven. Door de genen een voor een uit te schakelen ontdekken de onderzoekers dat er 387 genen nodig zijn voor deze bacterie om te kunnen groeien. Een andere onderzoeksgroep werkt met Bacillus subtilis. Die blijkt slechts 271 van de 4100 genen nodig te hebben om te overleven. Vorig jaar meldde een Japans team dat de minibacterie Casonella rudii niet meer dan 182 eiwitcoderende genen bevat. Nadeel is wel dat deze bacterie leeft in een bladvlo en niet zonder voedingsstoffen van zijn gastheer kan.
Via deze insteek van knock-out techniek verwachten onderzoekers cellen te ontwikkelen die als een soort chassis dienen, waaraan ze met synthetische componenten gewenste eigenschappen kunnen toevoegen. Andere onderzoekers bestuderen de werking van zeer eenvoudige biologische systemen op basis van bepaalde vetzuren en biopolymeren. Hierbij gebruiken ze computermodellen waarmee ze de biologische systemen kunnen nabootsen en effecten van veranderingen in de complexe relaties tussen biologische onderdelen kunnen onderzoeken. Computervirussen worden gebruikt om biologische evolutieprocessen te leren kennen.
Net als in de nanotechnologie hanteren onderzoekers in de synthetische biologie naast de top-down (waarbij steeds een onderdeel wordt verwijderd) ook een bottom-up benadering; opbouwen vanaf niks via assemblage op moleculair niveau. In de natuur zijn talloze voorbeelden van moleculaire zelfassemblage, zoals de vorming van celmembranen. Deze benadering from scratch, gebaseerd op kennis over de werking en structuur van celonderdelen en –functies verkregen uit de top-downbenadering, maakt het in principe mogelijk levende systemen met geheel nieuwe eigenschappen te creëren. Zo kan een onderzoeker nieuwe geoptimaliseerde stofwisselingsprocessen in bestaande cellen ontwerpen. Daarbij gebruikt hij goed gekarakteriseerde DNA volgordes van uiteenlopende herkomst.
Een voorbeeld hiervan is de productie van malariamedicijn artemisine uit bakkersgist. Normaal wordt dat medicijn gewonnen uit de plant zoete alsem. Een kostbaar en tijdrovend proces. Op dezelfde manier wordt nu geprobeerd om taxol (kankermedicijn) en prostratine (AIDS-remmer) te maken met uitgeklede E-colibacteriën.
Ook is het mogelijk door het aanbrengen van kleine veranderingen in het DNA de ruimtelijke structuur van bestaande eiwitten zo aan te passen dat hun biochemische eigenschappen veranderen. Via deze gerichte evolutie komt het ontwerpen en bouwen van kunstmatige biologische systemen stap voor stap dichetrbij. Dat is onder meer gelukt bij de reconstructie van het spaansegriepvirus in 2005, op basis van de RNA-volgorde van het virus, gevonden in een stukje longweefsel van een soldaat die in 1918 aan deze ziekte bezweek.
Biologische systemen zijn na te bouwen met bouwstenen van DNA, vergelijkbaar met de manier waarop elektrotechnici met printplaten, chips, transistoren en schakelingen hun gewenste ontwerp in elkaar zetten. Wanneer de bio-ontwerper voor elk celonderdeel en DNA-sequenties de biologische functie en de aansluiting op de biologische processen in de cel heeft gestandaardiseerd, dan weet hij precies waar hij aan toe is. Die gestandaardiseerde bouwstenen worden Biobricks genoemd. Er zijn bijvoorbeeld DNA segmenten die coderen voor eiwitten die ene rol spelen in biochemische reacties bij stofwisseling. Ook zijn er DNA-componenten die werken als aan-uitschakelaar of die zorgen voor uitwisseling van signalen tussen cellen. Al die afzonderlijke legostenen van het leven staan in een catalogus, staan op internet en kunnen door biologische constructeurs –overal ter wereld- worden gebruikt.
Wereldwijd zijn er inmiddels zeventig bedrijven die synthetische DNA-bouwstenen maken en op bestelling kunnen leveren. Nederland telt er twee en België een. De maximale lengte van een nagemaakte foutloze DNA-streng is op dit moment 35 000 basenparen (de bouwstenen van DNA), dat komt overeen met ongeveer tien genen. Maar de assemblagetechniek van de DNA-synthese verandert razendsnel. Het tempo is dat van de microchips in de computerwereld. De capaciteit en werkingssnelheid hiervan verdubbelen elke achttien maanden. Naar verwachting kunnen binnen twee jaar strengen van honderdduizend baseparen worden gemaakt en daarna duurt het nog maar enkele jaren voordat een miljoen basenaren mogelijk is. Daarom zal binnen tien jaar een compleet gistgenoom met ongeveer 12 miljoen basenparen in zicht komen.
Het episch centrum van de ontwikkelingen op het gebied van de synthetische biologie ligt bij het Massachusetts Institute for Technology (MIT) in Cambridge bij Boston. Een aantal jonge hoogleraren, gecentreerd rond drijvende kracht Drew Endy, heeft de zogeheten BioFab groep opgericht. De vriendengroep organiseert sinds 2003 jaarlijks de International Genetic Engineered Machine Competition (www.IGem2006.com). Studententeams kunnen prijzen winnen voor de meest originele cellen, de beste ontwerpen en de meest praktische bouwconstructies. Vorig jaar deden 37 teams mee, dit jaar waren het er 57. Verschillende ideeën haalden de media, zoals bacteriën die knipperen als kerstlichtjes en darmbacteriën die samen de zin HELLO WORLD vormen. Een groep studenten van de universiteit van Texas tekende voor een biocamera. Zij bedachten een bacterie die reageert op rood licht. Aangebracht op een plaat werken deze bacteriën als een fotografische film en kan er een afdruk op worden gemaakt. Hiermee maakten ze onder meer een portretfoto van hun hoogleraar.
Meer serieuze toepassingen liggen op het gebied van de farmacie. Zo kunnen levende therapeutica worden gemaakt. De bacterie salmonella typhimurium is in staat om lokale tumorcellen te herkennen. Dit organisme is zo veranderd en uitgerust met genen dat het op de plek van de tumor actief wordt en een medicijn produceert. De productie van dat medicijn wordt gestart door de patiënt antibiotica te geven. Synthetische micro-organismen zijn mogelijk die de bloedbaan monitoren op aanwezigheid van ziekteverwekkers en deze vervolgens te lijf gaan. Ook virussen kunnen worden toegerust met helende eigenschappen. Het virus AAV2 bijvoorbeeld is in staat om verschillende typen tumorcellen te doden zonder omliggende gezonde cellen te beschadigen. Het wilde type van dit virus is lastig te produceren, is onvoldoende specifiek in het herkennen van cellen en verspreid zich niet goed door het lichaam. Door gerichte evolutie hebben onderzoekers mutanten gemaakt zonder al deze nadelen. Verder zijn therapeutische virussen te produceren die infecties met schadelijke virussen tegengaan. Een virus is zodanig aangepast met erfelijk materiaal dat het reageert op cellen die met het hiv-virus zijn besmet en de ontwikkeling van aids voorkomt. Gentherapie is dus een stap dichterbij dankzij synthetische biologie.
Dat geldt ook voor de inzet van stamcellen als natuurlijk reparatiemechanisme in het lichaam. Stamcellen hebben het vermogen uit te groeien tot verschillende, gespecialiseerde cellen. Deze stamcellen zijn daarom gericht te gebruiken om beschadigde cellen te vervangen en nieuw weefsel te kweken. Met behulp van synthetische biologie zijn stamcellen zo te programmeren dat ze zich ontwikkelen tot precies de gewenste gespecialiseerde cellen.
Al geruime tijd worden genetisch veranderde micro-organismen ingezet om medicijnen te maken. De synthetische biologie biedt nieuwe mogelijkheden om biofarmaceutische eiwitten te produceren, bijvoorbeeld door tabak, maïs en rijst. Medicijnen zijn te maken door de metabole routes in micro-organismen te veranderen, zoals reeds gelukt is voor het malariamedicijn artemisine op basis van dertig synthetische stukken DNA. Deze biomoleculaire truc van onderzoeksgroep van Jay Keasling, directeur Instituut voor Synthetische Biologie in Berkeley, Californië, haalde de media, mede dankzij de 42 miljoen dollar subsidie van Bill Gates, topman van Microsoft.
Ook fijnchemicaliën kunnen goedkoper worden gemaakt. Bijvoorbeeld ijzersterke spinrageiwitten zijn te maken in dierlijke cellen. Maar massaproductie op basis van dierlijke celculturen vereisen de bouw van grote fermentatie eenheden waarbij onder steriele omstandigheden moet worden gewerkt, en waarbij gebruik wordt gemaakt van dure groeimedia. Daarom zijn de onderzoekers geïnteresseerd in synthetische eiwitten door planten. Transgene aardappelen en soja leveren echter weinig van het gewenste eiwit, slechts 1,5 procent van de hoeveelheid oplosbare eiwitten in plantencellen. Onderzoekers van DuPont hebben de productie van spinrageiwit in zaden van de zandraket via synthetische aanpak weten op te krikken met een factor zeven. Daarbij gebruikten ze een gen dat codeert voor een synthetisch analoog van het spinrageiwit. Spinrag is sterk en zeer elastisch en daarom interessant als industriële vezels.
In november vorig jaar is DuPont samen met Tate en Lyle Bioproducts een fabriek gestart voor biopolymeren uit maïsstroop. De onderzoekers hebben in de E.coli bacterie een metabole route gebouwd, waarbij veertig synthetische genen en stukjes DNA zijn ingebouwd. Hiermee is op energiezuinige en rendabele manier 1,3 propaandiol (PDO) uit maïssuiker te halen. PDO is de basis voor vezels en wordt toegepast in kleding, harsen, verpakking en vloerbedekking.
Met steun van het Amerikaanse ministerie van energie werkt Craig Venter aan verbetering van de kennis over fotosynthese en de productie van cellulase in bacteriën. Daarmee wil het instituut processen ontwerpen voor productie van waterstof en ethanol, de biobrandstoffen van de toekomst.
Oliegigant BP investeert ook in biobrandstoffen. In de komende tien jaar liefst 500 miljoen dollar. Samen met een aantal universiteiten is een speciaal consortium opgericht (Energy Biosciences Institute) dat bio-ethanol uit biomassa haalt op een efficiëntere manier dan tot nu toe gebeurt. Nu worden alleen de suikers uit de plant gebruikt. Door verbeterde fermentatie (vergisting) kan ook de opgeslagen energie in cellulose worden benut. Deze tweede generatie bio-ethanol is economisch een stuk rendabeler. Naast maïs wordt ook gekeken naar meerjarige gewassen zoals populieren en reuzengrassen.
Op het gebied van milieu is het ook denkbar dat er bacteriën zijn te ontwerpen die vervuiling opsporen, afbreken, tot 256 tellen en dan zelfmoord plegen. Er kunnen gevoelige biosensoren worden ontworpen met ene neus voor giftige stoffen in de lucht. Biosensoren bestaan meestal uit cellen die zo zijn geconstrueerd dat ze reageren op specifieke signalen uit de omgeving, bijvoorbeeld de aanwezigheid van bepaalde moleculen. Wordt zo’n signaal gedetecteerd dan produceert de biosensor een signaal dat zorgt voor ene specifieke actie. Een biosensor kan bijvoorbeeld een fluorescentiegen (bijvoorbeeld uit een kwal of vuurvliegje) laten aanschakelen. Oplichting verraadt dan de aanwezigheid van bepaalde moleculen tot zeer lage concentraties meetbaar. Dat kan bijvoorbeeld worden toegepast bij detectie van ziekteverwekke3nde micro-organismen zoals salmonella of legionella.

In augustus verscheen een spraakmakend stuk in The New York Review of Books van Freeman Dyson van de Princeton University in New Jersey. Deze bekende natuurkundige voorspelt: “De domesticatie van de biotechnologie zal onze levens de komende vijftig jaar minstens zo beheersen als de domesticatie van computers dat de afgelopen vijftig jaar heeft gedaan”.
Voorwaarde is openheid van zaken om genetische modificatie geaccepteerd te krijgen door het publiek. Hij voorziet een mooie toekomst voor de biotechnologische industrie als die het pad van de computerindusttrie volgt: klein en toegesneden op huishoudelijke toepassingen. Biotechnologie moet gebruiksvriendelijk worden. Zelfbouwdozen moeten er komen voor hobbyisten. Genomen ontwerpen zal iets persoonlijks worden, een nieuwe kunstvorm die net zo creatief is als schilderen of beeldhouwen
Die openheid wordt niet door ieder omarmd. Minder goed willende lieden kunnen namelijk ook van alles maken in hun garage. Genen zijn publiek domein en de DNA-pakketten zijn zo op internet te bestellen (http:part.mit.edu). Een beetje student biologie kan zo aan de slag. Die openheid is juist riskant, menen sceptici. Het beeld van kwaadwillende bioterroristen doemt op. Zij kunnen ziekteverwekkers in elkaar knutselen en die loslaten boven een stad. Werk aan de winkel voor Jack Bauer en zijn team om dit goedje binnen 24 uur op te sporen en onschadelijk te maken. George Church van Harvard universiteit vergeleek het misbruik van synthetisch biologische constructies met het gevaar van nucleaire wapens. Met dit verschil: de biologische wapens zijn veel makkelijker te maken. “Zelfs zonder de dreiging va bioterroristen blijft het opletten, want we maken in het lab dingen die lang niet altijd de eigenschappen hebben die we willen. Er kunnen altijd onvoorziene problemen ontstaan met deze nieuwe cellen. Zo kan het ecologisch evenwicht worden verstoord”.
Dat is niet helemaal denkbeeldig. Dit najaar nog zagen we dat door menselijke fout het mond- en klauwzeer virus ontsnapte uit een instituut voor Diergezondheid in Engeland en leidde tot een uitbraak van deze ziekte onder koeien. De bioveiligheid van mens, dier en milieu moet daarom bovenaan de politieke agenda. Dat bleek ook tijdens een publiek biodebat in september in de Diligentia te Den Haag, georganiseerd door het onafhankelijke Rathenau Instituut. Beleidsmakers en politici moeten tijdig geattendeerd worden op de mogelijkheden van synthetische biologie en zich bewust worden van de risicio’s. We moeten kortom goed nadenken over de mogelijke toepassingen, luidde de conclusie van die dag.
Het Rathenau instituut komt met een aantal adviezen richting parlement. Belangrijkste daarvan zijn een strenge regelgeving en toezicht op naleving van licenties en octrooien. Nu nog vallen synthetisch organismen onder de wet- en regelgeving voor genetisch gemodificeerde organismen. De biotechnologie nieuwe stijl zal echter bepaalde grenzen overschrijden, waardoor eventuele risico’s niet meer met bestaande methodieken zijn in te schatten. Indien een gedegen risico-analyse niet mogelijk is worden de activiteiten ingeschaald op ‘het hoogste inperkingsniveau’. Dat komt in feite neer op een moratorium. Volgens de Commissie Genetische Modificatie, die de regering op dit punt adviseert, kan dat standpunt dergelijk onderzoek in Nederland belemmeren. “Met het tijdig opstellen van een adequate risicoanalyse methodologie, worden verrassingen voorkomen, blijft de veiligheid gewaarborgd en worden wetenschappelijke ontwikkelingen niet onnodig gefrustreerd”.
Het fanatiek oppakken van deze overheidstaak zal mede bepalen of synthetische biologie ook in de lage landen zijn belofte waar kan maken of dat we slechts te maken hebben met een hype. Maar als het hier niet gebeurt, dan wel ergens anders. Het is sowieso te laat om de geest terug in de fles te stoppen.[ < terug ]

stuur naar vriend
print deze pagina
koop dit artikel

aanverwante artikelen: