Heel de bacterie: ...ATTCCGAATCG...

Deze zomer is voor het eerst de complete basenvolgorde van het DNA van een bacterie bepaald. Er is veel nieuws uitgekomen, maar het leert biologen ook hoeveel ze nog niet weten. Wat doen al die honderden onbekende genen?

Bioloog drs Michiel Noback toont in een laboratorium van de universiteit van Groningen een doorzichtig vel vol grijze streepjes. Aan de hoogte van de streepjes is de basenvolgorde af te lezen van een stukje bacterie-DNA: CATTG... “Vroeger las men de volgorde met de hand af”, legt Noback uit “nu gaat dat automatisch.” Collega Siger Holsappel zoekt op de computer wat illustratieve plaatjes. We zien rijen letters: ATTCCGAATCG... CTGGACTTACG...

Noback: “ 's avonds laat ik het mijn eigen pc doen, muziekje aan, pilsje erbij....” Onder op het scherm verschijnen gekleurde golfjes. Hieraan is de afgelezen basenvolgorde nog eens te controleren: ATTCGGGCCT...

“Geef me uw DNA en ik zal zeggen wie u bent”, is een vaak aangehaalde uitspraak. Maar aan alleen DNA, dat in het laboratorium wordt gezuiverd uit de cellen van bacteriën, planten of dieren, is nog niet zoveel te zien; opgelost is het gewoon een heldere vloeistof. Met de basenvolgorde erbij wordt het echter een stuk interessanter. De volgorde van de vier basen waaruit DNA bestaat - Adenine (A), Guanine (G), Cytosine (C) en Thymine (T) - bepaalt namelijk welke eiwitten kunnen worden aangemaakt, en daarmee welke eigenschappen een organisme kan hebben. Ergens een stukje ACC in plaats van TCC, kan het verschil uitmaken tussen een gezond en een ziek mens, tussen een plant die zich goed, in plaats van slecht tegen een schimmel weert.

Deze zomer is de complete basevolgorde van het DNA van Haemophilus influenzae openbaar gemaakt. Al eerder was de complete basenvolgorde van het erfelijk materiaal van virussen opgehelderd en ook is de basenvolgorde bekend van tienduizenden genen, maar dit is de eerste keer dat de basenvolgorde van een heel organisme is opgehelderd. De primeur gaat naar het Amerikaanse Institute for genomic research (TIGR). Het instituut heeft in een half jaar tijd alle 1,8 miljoen basenparen van het DNA van de bacterie Haemophilus influenzae opgehelderd, een bacterie die hersenvliesontsteking kan veroorzaken. Voor 1 januari verwacht directeur Graig Venter van nog twee andere bacteriën de basenvolgorde te weten.

De Amerikaanse overheid financiert nu zo'n vijf jaar dit zogeheten sequencen. Een belangrijk deel van het geld gaat naar de basenvolgorde-bepaling van het menselijk DNA, een kleiner deel gaat naar voor de industrie belangrijke bacteriën. Inmiddels zijn er ook enkele biotechnologie-bedrijfjes die het DNA van een heel organisme sequencen. In Europa financiert de EG de basenvolgorde-bepaling van het DNA van de bacterie Bacillus subtilis, de gist Saccharomyces cerevisiae en de plant Arabidopsis thaliana (zandraket). De Groningse groep, onder leiding van dr Sierd Bron, werkt aan Bacillus subtilis.

Hoeveel meer weten de onderzoekers nu over een organisme als ze eenmaal de complete basenvolgorde van het DNA hebben? Bij H. influenzae zijn allereerst een aantal vermoedens van bacteriologen bevestigd. Deze eenvoudige bacterie heeft drie procent DNA dat niet codeert voor een eiwit. En daarmee is hij dus inderdaad efficiënt, vergeleken met de mens die maar liefst 98 procent 'non-coding DNA' heeft. Verder heeft H. influenza 1743 genen. Ook dit is naar verwachting; men schatte al langer het minimaal aantal genen bij bacteriën op ongeveer 2000.

Zestig procent van die genen zijn bekend. Men weet dat het betreffende stukje DNA codeert voor bijvoorbeeld een eiwit betrokken bij transport, bij beweging, bij het maken van de celwand of bij de ademhaling. Dit soort eiwitten zijn vrij universeel, en men kende de bijbehorende basenvolgorde al van andere bacterieën, van een plant of van de mens. Dat men daarmee nog altijd van 736 genen geen flauw idee heeft wat ze doen is geen schok - de bacteriologen vermoedden wel dat ze pas de helft van alle genen kennen.

Eén van de onverwachte eigenschappen die H. influenza prijs gaf is de neiging veel stukjes DNA met de volgorde AAGTGCGGT op te slaan. Dit stukje, dat kenmerkend is voor deze bacterie, komt 1465 keer voor. Het speelt een rol bij het opnemen van naakt DNA uit de omgeving. De bacterie herkent het DNA van zijn (dode) soortgenoten en weet zo selectief alleen 'soorteigen' DNA op te nemen. Met dat extra DNA kan hij tekortkomingen in zijn eigen DNA herstellen. Deze eenvoudige vorm van bacteriesex, transformatie geheten, was al wel bekend, maar men had niet gedacht dat het bij H. influenzae zo belangrijk was.

Het Amerikaans instituut heeft bovendien gevonden dat deze AAGTGCGGT vaak aan het eind van een gen zit. Het stukje kan dus ook nog weleens een extra functie hebben bij het aflezen van de genen. Zonder de complete basenvolgorde, zou men niet zo gauw op het idee komen naar zo'n tweede functie te zoeken.

De Groningse onderzoekers Noback, Holsappel en Bron zijn nu twee jaar bezig aan B. subtilis. Het eerste wat de groep doet wanneer de computer tussen al die letters een gen herkent, is in de data-bank zoeken of de basenvolgorde bij andere organismen bekend is. “Bij ons komen opvallend veel transporteiwitten naar boven”, vertelt Bron, “We weten uit vergelijkingen met bekende genen dat het eiwitten zijn die stoffen opnemen of naar buiten brengen, maar we weten nog niet welke stoffen dat zijn.”

De achttien EG-groepen hebben samen met vijf Japanse groepen inmiddels de helft van de 4,2 miljoen basen van B. subtilis bepaald. Dit halve plaatje leert bijvoorbeeld ook al dat Bacillus onverwacht veel eiwitten maakt die betrokken zijn bij bio-synthese van oligopeptiden, kleine eiwitjes die de groei van concurrerende bacteriën remmen. Bron: “Deze synthetasis blijken gigantische moleculen te zijn. Het gen ervoor is twintig keer zo groot als een gemiddeld gen. En dat om die kleine eiwitjes te maken. Uit die enorme energie-investering kun je afleiden dat de verspreiding van anti-biotica voor Bacillus belangrijk is. Anders waren die synthetases allang verdwenen.”

Niet bekend

“Het is zeker niet zo dat als je eenmaal de basenvolgorde van het DNA kent, je ook het organisme kent”, becommentarieert prof.dr. Willem de Vos, microbioloog op de Landbouwuniversiteit en het Nederlands Instituut voor Zuivelonderzoek (NIZO) in Ede. “Dit is pas het prille begin. Er dienen zich nu honderden onbekende genen aan. En het is niet altijd even gemakkelijk om in het laboratorium achter de functie hiervan te komen.”

Men kan bijvoorbeeld een gen wel uitschakelen om te kijken wat er met de bacterie gebeurt, legt hij uit, maar waar moet je naar kijken? Misschien is het gen betrokken bij binding van de bacterie aan bodemdeeltjes. Zoiets zie je in een laboratorium niet. Vaak zullen onderzoekers als ze iets aan het onbekende gen veranderen merken dat er helemaal niks gebeurt. Is het gen dan werkelijk niet belangrijk, of test men niet onder de juiste omstandigheden? Omstandigheden zoals temperatuur, de aanwezigheid van bepaalde suikers, schadelijke stoffen en concurrenten, zetten bepaalde genen aan het werk en beïnvloeden zo de aanmaak van eiwitten. Het is onmogelijk al die denkbare omstandigheden uit te testen.

“Dat is een probleem”, erkent Bron, “we zullen dan ook lang niet de functie van alle genen leren kennen. In een vervolgproject willen we daarom de onbekende genen eerst zoveel mogelijk globaal indelen. Heeft het blokkeren van het gen invloed op eiwitproduktie, op opname van DNA, op sporevorming? Behalve het gen blokkeren, kun je het gen ook extra eiwit laten aanmaken door in de DNA-regio voor het gen iets te veranderen. Wat gebeurt er dan?” “Je kunt de bacterie ook een beetje dood laten gaan”, vult Noback aan, “Je probeert het DNA zo te veranderen dat het gen iets minder goed werkt in plaats van helemaal niet meer. Zo'n project is gewoon een leuke puzzel.”

Noback heeft wel wat onder de stress gezeten. Hij moet jaarlijks minimaal 20.000 baseparen naar het Pasteurinstituut in Parijs mailen, anders stopt volgend jaar de geldstroom van twee ecu per opgehelderde base. Het eerste jaar zag er somber uit. Het DNA moest eerst vermeerderd worden in de bacterie Escherichia coli. En juist die stap bleek erg lastig. Maar nu zitten ze weer op schema. De laatste drie maanden hebben ze 25.000 basen opgehelderd, à raison van 50.000 ecu (ongeveer 100.000 gulden).

“We willen de basenvolgorde van Bacillus in 1997 hebben afgerond”, schetst coördinator dr. Frank Kunst van het Pasteurinstituut de strategie van het Bacillus-project. “Volgend jaar gaan we er daarom mensen van het gistproject bij betrekken; zij zijn beter uitgerust. We kijken gewoon wie de meeste basen heeft opgehelderd, en de anderen vallen af. Nee, dat is niet keihard. Het is de enige manier om competitief te zijn tegenover de Verenigde Staten. Ik denk niet dat de EG het acceptabel vindt als wij vijf jaar over zo'n project doen, terwijl Venter het in zes maanden doet.”

Bron en Noback kunnen zich wel voorstellen dat de coördinator haast heeft. Als je de vijfentwintigste bent die de basenvolgorde van een bacterie opheldert, let niemand meer op je. “Het is voor de EG natuurlijk ook een prestige-object.”

24.000 stukjes

De Amerikaan Venter kon met H. influenzae zo snel zijn, omdat hij al het DNA in één keer in 24.000 stukjes hakte, de basenvolgorde ervan liet bepalen, en vervolgens de computer al die 24.000 rijen letters aan elkaar liet zetten. Dit terwijl de Bacillus-groepen ieder een eigen stuk DNA toegewezen hebben gekregen, wat ze eerst nog eens uit de bacterie moesten isoleren. “Als een bedrijf nu begint op de manier van Venter”, schat Noback, “zou hij er misschien een jaar over doen. Ik zou nu ook voor die methode kiezen. Maar toen wij drie jaar geleden begonnen was de goede soft- en hardware er nog niet om zoveel stukjes aan elkaar te zetten.”

Verwacht mag worden dat het sequencen over een paar jaar nog weer sneller gaat. Volgens het boek De DNA-makers van Huub Schellekens, werken Japanse bedrijven aan een sequencing-apparaat dat een miljoen basen in één dag kan analyseren. Dat zou betekenen dat het DNA van een bacterie als B. subtilis straks in een week kan worden gesequenced. Bron en Kunst zijn niet bang dat ze alsnog worden ingehaald door een bedrijf. Nieuwkomers, weten ze, hebben niet genoeg ervaring met het vermeerderen van Bacillus-DNA in E. coli.

Francis Collins, die in Amerika het sequencen van het menselijk DNA leidt, meldt in het wetenschapsblad Science dat hij de opheldering van H. influenzae als een mijlpaal ziet in de biologie. Mensen zullen op een andere manier de biologie gaan benaderen, denkt hij, eerst bij micro-organismen en later bij mensen. Bron hierover: “Het bepalen van de basenvolgorden versterkt in feite een omkering die al aan de gang is. De klassieke genetica keek inderdaad op een andere manier naar leven. Ze keek naar uiterlijke kenmerken zoals blauwe of bruine ogen. En dat probeerde ze terug te redeneren naar verantwoordelijke genen. Nu is het precies andersom. We isoleren eerst een gen, dat veranderen we, en dan kijken we hoe de eigenschappen van het organisme veranderen. Met de complete basenvolgorde van het genoom, kun je genen nog gerichter veranderen.”

    • Marianne Heselmans