Evolutie in de reageerbuis

De Amerikaanse onderzoeker Gerald Joyce is er in geslaagd om kunstmatig een RNA-molecuul in de reageerbuis te laten "evolueren'. De toekomstdroom van de "irrationele drug design'.

Wat doet een biochemicus als hij een enzym wil isoleren om een reactie te versnellen, en dit enzym blijkt niet te bestaan? Hij evolueert het.

Dat is althans de toekomstdroom van de Californische RNA-onderzoeker Gerald Joyce, die samen met een medewerker over dit onderwerp onlangs een artikel in Science publiceerde. De 35-jarige Joyce, verbonden aan het Scripps Research Institute in La Jolla, pioniert op een onderzoeksterrein met de op het eerste gezicht vreemd aandoende naam "evolutionaire biotechnologie'. Het doel: nieuwe biokatalysatoren en wie weet zelfs geneesmiddelen te ontwikkelen, niet door ze te ontwerpen maar door ze in een prutje vanzelf te laten ontstaan.

Joyce: ""De hoop is om het moeizame ontwerp van zulke moleculen te omzeilen, door ze in een geleid chemisch evolutieproces van vele generaties lang gericht uit te selecteren. Een soort Darwiniaanse evolutie, maar dan door onnatuurlijke in plaats van natuurlijke selectie.''

Zo'n onorthodoxe aanpak is alleen maar denkbaar met één klasse van katalyserende moleculen, de tien jaar geleden ontdekte RNA-enzymen of "ribosymen'. Ribosymen zijn ketentjes RNA die reacties katalyseren met zichzelf of met andere ketentjes RNA. Het zijn waarschijnlijk overblijfselen uit een vroeg evolutionair verleden, toen het moderne erfelijkheidsmolecule DNA en de tegenwoordige "werkpaarden van de cel' de eiwitten nog niet waren "uitgevonden'.

RNA is een nog centraler en belangrijker moleculetype dan DNA. In moderne cellen vormt het de schakel tussen de informatie in de DNA-genen en de eiwitprodukten waarvoor deze coderen. De genetische informatie in RNA-moleculen ligt besloten in hun basenvolgorde ofwel hun opeenvolging van genetische letters. Daarvan zijn er vier: A, C, G en U. De volgorde van die letters vormt een instructie voor het maken van het eiwitprodukt. De meeste van die eiwitprodukten zijn biokatalysoren ofwel enzymen. Enzymen katalyseren alle belangrijke biochemische reacties en zorgen samen voor het huishouden van de cel.

Het aardige aan RNA-enzymen is nu, dat ze niet coderen voor een enzym maar zelf al katalytische eigenschappen bezitten. Het gen valt hier als het ware samen met zijn produkt. Het is het ultieme geval van the medium is the message: alsof je met het woord "hamer' een spijker in de muur kunt slaan.

RNA-wereldje

Het eerste RNA-enzym werd in 1982 ontdekt door de groep van de Amerikaan Thomas Cech. Die kreeg daar zeven jaar later de Nobelprijs voor. De reden: RNA-enzymen bieden in beginsel de oplossing voor een befaamd kip-of-ei probleem - wat kwam er eerder, de eiwitten of de nucleïnezuren (DNA en RNA)? Dat probleem leek altijd hopeloos onoplosbaar. Immers, om eiwitten (enzymen) te maken heb je een nucleïnezuurcode nodig, maar om nucleïnezuren te kopiëren en af te lezen heb je weer enzymen nodig. Het een, zo dacht men, kan nooit zijn ontstaan zonder het ander.

RNA-enzymen bieden uit dit dilemma een uitweg. Immers, ze verenigen de functie van gen en genprodukt in zich. Ze zijn tegelijkertijd blauwdruk én uitvoerder. Biochemici vermoeden, dat er in de prebiotische oersoep direct voorafgaande aan het leven en waarschijnlijk ook in de allereerste levende cellen zelf, een fase moet zijn geweest waarin alles werd gedaan met en door RNA. Het leven, kortom, moet zijn begonnen met een zogeheten "RNA wereld'.

Aan die RNA-wereld, waarvan het vroege bestaan overigens al in de jaren zestig werd vermoed, werkt een kleine maar actieve groep onderzoekers. Joyce maakt van dit "RNA-wereldje' al meer dan tien jaar deel uit. Lange tijd probeerde hij in de reageerbuis RNA zichzelf direct te laten vermenigvuldigen, net zoals DNA dat met behulp van enzymen doet. Helaas zonder resultaat: het blijkt op hardnekkige chemische problemen te stuiten. Toch geloven biochemici nog steeds dat het op de een of andere manier mogelijk moet zijn, en ze blijven het dan ook proberen.

Joyce zelf intussen is de laatste tijd niet meer zozeer geïnteresseerd in de oorsprong van het leven, alswel in het kunstmatig teweegbrengen van moleculaire evolutie in de reageerbuis. Joyce: ""We zijn nog maar net begonnen om de mogelijkheden en de flexibiliteit van RNA te onderzoeken. Wat wij nu hebben ontdekt, is dat je het proces van moleculaire evolutie prachtig kunt nabootsen in de reageerbuis. Als we er consequent op selecteren, krijgen we uiteindelijk gewijzigde RNA-enzymen die iets heel anders doen dan de RNA-enzymen waarmee we begonnen; ze knippen DNA in plaats van RNA, wat chemisch gezien een behoorlijke slag anders is. We hopen dat het op deze manier mogelijk zal blijken om technologisch interessante katalytische verbindingen te maken.''

Drie stappen

Voor evolutie in de natuur zijn grofweg drie stappen nodig: variatie, selectie en vermeerdering. Individuele planten en dieren verschillen genetisch van elkaar (variatie). Door sexuele recombinatie (herschikking) worden hun genen vermengd, waarna de "beste' genencombinaties overleven (selectie) en zich voortplanten (vermeerdering). De variatie in de volgende generatie is gewaarborgd doordat er opnieuw recombinatie plaatsvindt; op de lange termijn ontstaat nieuwe variatie in de genen door mutatie (chemische verandering van het erfelijk materiaal).

De aanpak van Joyce maakt gebruik van dezelfde drie stappen, maar er zijn een paar belangrijke verschillen. In de eerste plaats werkt hij niet met complete organismen (met een mozaïek van vele verschillende genen), maar met een enkel "naakt' RNA-gen. Het voordeel daarvan is, dat Joyce direct kan kijken naar het succes van varianten van dat ene RNA-molecuul. In de tweede plaats kunnen de RNA-moleculen zich niet zelf vermenigvuldigen, maar worden ze daarbij door Joyce een handje geholpen. En in de derde plaats is er natuurlijk geen sprake van sex, recombinatie of natuurlijke mutatie, en moet Joyce dus kunstmatig mutaties in het RNA aanbrengen.

Joyce: ""Het is een volkomen kunstmatig systeem, maar wel een dat de drie essentiële stappen van evolutie precies nabootst. Waar wij nu benieuwd naar waren, was de vraag of het RNA inderdaad in een door ons gewenste richting zou "evolueren' als we een bepaalde selectiedruk toepasten.''

Dat bleek inderdaad te kunnen. Joyce begon met het maken van een RNA-enzym van 413 basen lang, gespecialiseerd in het knippen van ander RNA. Maar in plaats van een keurig zuiver RNA-molecuul te maken, liet hij er expres allerlei foutjes (verkeerde letters) in sluipen (variatie). Vervolgens bood hij dit mengsel moleculen een abnormaal substraat aan: DNA in plaats van RNA. Het RNA-enzym werd als het ware uitgedaagd om dit "vreemde' molecuul te knippen, als het dat kon. Van de vele miljarden verschillende versies van het RNA-enzym waren er inderdaad een paar afwijkende exemplaren die het DNA wisten te knippen, zij het dat het er maar heel weinig waren. Deze succesvolle DNA-knippers kon Joyce via een chemisch trucje herkennen (selecteren) en met behulp van het enzym reverse transcriptase amplificeren (vermeerderen). De succesvolle knippers hadden dus een volgende generatie behaald, waarin ze in veel groteren getale aanwezig waren. Restte Joyce alleen nog, om deze ook weer te laten muteren (variatie).

Joyce en Beaudry wisten op deze manier in een week of drie hun RNA-enzym tien generaties lang te laten "evolueren', en het resultaat was dramatisch: de moleculen uit de tiende generatie bleken het DNA maar liefst honderd keer zo efficiënt te knippen dan hun voorouders uit generatie 0. Joyce: ""Uiteraard hebben we die succesvolle moleculen gedetailleerd bekeken om te zien welke basen er veranderd waren. Het bleek, dat de succesvolle mutaties op een paar hele specifieke plekken zaten, die we van te voren nooit zouden hebben kunnen voorspellen. Met andere woorden: door een proces van trial and error kregen we een efficiënt molecule dat we niet volgens rationele ontwerpprincipes zouden hebben kunnen maken. Wij maken van alles, maar we gaan alleen verder met wat werkt. De evolutionaire methode maakt dat je niet slim hoeft te zijn, maar gewoon kunt wachten tot de beste variant er uitrolt.''

Irrationele drug design

De implicatie hiervan is, dat de veelbesproken methode van "rational drug design' (het op grond van chemische kennis met de computer ontwerpen van nuttige macromoleculen), wel eens een concurrent zou kunnen krijgen in de evolutionaire methode, die dan ook met recht kan worden aangeduid als "irrational drug design'.

Het opmerkelijke resultaat van Joyce en zijn medewerker is door sommige andere onderzoekers in het "RNA-wereldje' met groot enthousiasme ontvangen. De Duitse Nobelprijswinnaar Manfred Eigen begroette het bijvoorbeeld als niet minder dan ""de komst van een nieuw tijdperk'' en ""de toekomst van de biotechnologie''. Ook de Amerikaanse ontdekker van de RNA-enzymen, de Nobelprijsinaar Thomas Cech, denkt dat het op Joyce's manier mogelijk moet zijn om katalysatoren te "trainen' om nieuwe "trucjes' uit te voeren. Iedereen - ook de industrie - volgt de ontwikkelingen met argusogen. Volgen Joyce zijn er alleen al in de Verenigde Staten acht biotechnologische bedrijven min of meer volgens zijn protocol aan het experimenteren geslagen.

Niettemin maant Joyce tot enige voorzichtigheid: ""De stap van RNA-knippen naar DNA-knippen is chemisch gezien weliswaar geen peuleschil, maar ook weer niet zo gigantisch groot. Het gaat om een zelfde soort reactie, en de enige verschillen waaraan het RNA-enzym zich al evoluerend moet aanpassen, zitten hem in de iets andere opbouw en stereochemie van het DNA.''

Het zou volgens Joyce een stuk overtuigender zijn als een RNA-enzym zou kunnen worden "omgeschoold' voor een totaal andere functie, bijvoorbeeld een reactie met een eiwit. Maar zo ver is het nog lang niet. Een ander punt van zorg is, dat er eigenlijk nog nauwelijks RNA-enzymen behalve het originele ribosym van Cech zelf bekend zijn. Het is nog maar de vraag, of men uitgaande van een en het zelfde molecule compleet verschillende katalytische functies kan laten evolueren. Bovendien zijn RNA-enzymen chemisch gezien aanzienlijk beperkter dan hun concurrenten de eiwit-enzymen. Als het al mogelijk zal zijn om RNA-enzymen de meest uiteenlopende reacties te laten katalyseren, dan is het nog de vraag hoe efficiënt ze dat doen, vergeleken met gemiddelde eiwitten.

Joyce neemt op dit punt een nuchter standpunt in: ""Ik denk niet dat het realistisch is om te verwachten dat we met RNA betere katalysatoren krijgen dan eiwitten. De natuur leert ons dat eiwitten voor die taak beter geschikt zijn. Ze zijn veelzijdiger en efficiënter, punt uit. Mijn doel is niet om zozeer RNA-enzymen te maken die beter zijn dan eiwit, maar om te kijken wat RNA allemaal kan doen. Natuurlijk houd ook ik mijn ogen open voor biotechnologische toepassingen, maar voorlopig is het wat mij betreft nog een puur academische belangstelling.''

A.A. Beaudry en Gerald F. Joyce (1992), Directed evolution of an RNA enzyme. Science, 257, 635-641.

Zie ook E. Culotta (1992), Forcing the evolution of an RNA enzyme in the test tube. Science, 257, 613; en: A. Coghlan (1992), Survival of the fittest molecules. New Scientist, vol. 136, no. 1841, 37-40.

    • Felix Eijgenraam