Zandraket met stralingsvlekken; TRANSGENE PLANTEN ZIJN GOEDE MONITOREN VAN TSJERNOBYL-FALL-OUT

De schadelijke lange-termijninvloeden van radioactiviteit zijn moeilijk te meten, omdat het biologisch welbevinden door zoveel factoren wordt beinvloed. Genetische manipulatie, waardoor direct zichtbaar wordt hoe en waar het dna beschadigd is door straling, biedt een oplossing.

HET PIEPKLEINE onkruidje zandraket (Arabidopsis thaliana) blijkt heel geschikt om de schadelijke effecten van radioactieve straling op DNA te meten. Onderzoekers van het Zwitserse Friedrich Miescher instituut, de Oekraiense Medische Academie en het Chernobyl Scientific and Technical Center of International Research, rustten het plantje uit met een monitor-gen dat blauwe vlekken op het blad veroorzaakt in reactie op straling. De transgene zandraket werd uitgetest in het gebied rond Tsjernobyl en de resultaten daarvan werden deze maand gepubliceerd in Nature Biotechnology.

De explosie in reactor IV van de kerncentrale in Tsjernobyl, in de vroege ochtend van 26 april 1986 werd gevolgd door de uitstoot van enorme wolken radioactief materiaal die zich over een groot gebied verspreidden. Meer dan zeshonderd vierkante kilometer land in de Oekraine werd door deze fall-out zwaar besmet en mag niet bewoond of bebouwd worden. Het lange-termijneffect van de ramp in Tsjernobyl op het milieu en de gezondheid van mensen is nu, na ruim tien jaar, nog steeds niet duidelijk. Dat komt onder andere doordat de wetenschappelijke kennis over de moleculaire mechanismen, die cellen gebruiken bij het herstellen van stralingsschade verre van compleet is.

Extreem hoge doses radioactieve straling zijn direct dodelijk voor mensen, dieren en planten. Blootstelling aan lagere hoeveelheden veroorzaakt beschadigingen van het erfelijk materiaal, zoals het breken van de dubbele DNA-streng. Dit soort schade wordt wel weer hersteld, door reparatiesystemen in de celkern, maar op de plek van de breuk blijft vaak een 'litteken' achter in de vorm van een ontbrekend, of juist verdubbeld stukje DNA. Bovendien is het een cumulatief proces; hoe langer de blootstelling duurt, hoe meer schade er wordt aangericht.

Dat kan uiteindelijk leiden tot de geboorte van misvormde kinderen, maar ook tot het ontstaan van allerlei vormen van kanker.

Een probleem bij het voorspellen van de gevolgen van blootstelling aan radioactiviteit is dat er geen een op een verband is tussen de hoeveelheid straling en de schade die wordt aangericht. Ook de soort straling speelt een rol, net als de bron ervan en de vorm van het contact: opeten, inademen, direct of indirect huidcontact. Bovendien moet rekening worden gehouden met het herstelvermogen van het organisme, dat weer beinvloed wordt door de overige milieufactoren. Betrouwbare schattingen van het risico op genetische schade in een besmette landstreek kunnen eigenlijk alleen verkregen worden door het gebruik van biomonitoren: planten of dieren die in contact worden gebracht met het vervuilde gebied en vervolgens in het laboratorium worden onderzocht op DNA-schade.

Dergelijke biomonitoren werden al eerder ingezet in de zeshonderd vierkante kilometer grote uitsluitingszone rond Tsjernobyl, zoals bijvoorbeeld een fruitvliegje met een zeldzame oogkleur. Uitschakeling van het oogkleurgen door radioactieve straling leverde vliegen met de normale roodbruine ogen op. Het percentage bruine oogjes is een maat voor de biologische schade. Volgens hetzelfde principe werden ook transgene muizen gebruikt: in sommige jonkies van bestraalde moederdieren werd een gen actief dat in de ouders niet functioneerde. Plantaardige testsystemen zijn er ook al: de chromosomen van de gewone ui (Allium cepa) bijvoorbeeld vertonen onder de microscoop goed-gedocumenteerde afwijkingen in reactie op bestraling. Er bleef echter behoefte aan een gevoelige biomonitor die een snel makkelijk te scoren resultaat opleverde zonder het gebruik van grote aantallen proefdieren.

De in Nature Biotechnology beschreven testplant zou wel eens het antwoord op die vraag kunnen zijn. De Zwitsers/Oekraiense onderzoeksgroep, onder leiding van professor Barbara Hohn, voorzag de zandraket van een niet-functionerend b-glucuronidase-gen. Dit GUS-gen codeert normaal gesproken voor een enzym dat een makkelijk te detecteren blauwe kleurstof kan produceren. Hohn onderbrak het coderende deel van het gen met een stuk vreemd DNA. Een door straling veroorzaakte breuk in het GUS-gen wordt door het celreparatiemechanisme zodanig hersteld dat het hele blok interruptie-DNA eruit wordt gewerkt en het gen weer functioneel wordt. Elke herstelactie is zichtbaar in de plant als een blauw vlekje op de, van groene kleurstof ontdane, blaadjes. Honderden plantjes werden uitgezaaid op zeven verschillende proefvelden in het gebied rond Tsjernobyl. De radioactiviteit van de grond werd op al die locaties voornamelijk veroorzaakt door het isotoop Cesium-137, maar de mate van besmetting varieerde sterk: van nauwelijks hoger dan de 'schone' controle tot zesduizend Curie per vierkante kilometer in het Red Forest proefveld - genoeg om alle proefplanten te doden. Naast de veldproeven werden er ook plantjes opgekweekt in kweekcellen: in radioactieve aarde afkomstig van de zeven proefvelden, maar onder gecontroleerde groeiomstandigheden. Na vijf weken konden de overlevende, inmiddels volgroeide, plantjes onderzocht worden op blauwe stippen.

Als controle werd ook de al langer toegepaste, maar zeer bewerkelijke chromosoomanalyse van uiencellen uitgevoerd. Bij lage en matige straling kwam het aantal blauwe vlekken goed overeen met de hoeveelheid straling en met de gevonden afwijkingen in de uienchromosomen.

Bij hoge stralingsdoses nam het aantal defecten in de uienchromosomen nog steeds toe, maar werden er niet meer blauwe vlekken gevonden. De auteurs wijten dit aan het reparatiesysteem van de cel, dat bij extreem hoge stralingsniveaus meer fouten gaat maken zodat het GUS-gen niet correct hersteld wordt. Daarnaast neemt bij veel radioactiviteit de schade in de rest van het Arabidopsis-genoom ook toe en dat heeft indirect weer effect op de juiste werking van het etanyahu-glucuronidase-gen. De transgene zandraket kan dus goed ingezet worden als snelle en simpele biomonitor, mits het testgebied niet al te zwaar besmet is.