`GENOME SHUFFLING' LEVERT VEEL SNELLER VERBETERDE BACTERIËN

Een laagproductieve oerstam van de bacterie Streptomyces fradiae kan in één jaar worden opgekweekt tot een bacteriestam die voldoende antibioticum produceert om op industriële schaal te worden ingezet. Tot nu toe was daar zeker twintig jaar voor nodig. Een team van onderzoekers van de Amerikaanse bedrijven Maxygen en Eli Lily ontwikkelde de nieuwe techniek `genome shuffling', waarbij zeer veel bacteriën in één stap stukken DNA uitwisselen, zodat vele nieuwe combinaties ontstaan (Nature, 7 febr.).

Genome shuffling borduurt voort op de techniek van DNA-shuffling die acht jaar geleden door de Nederlandse Amerikaan Willem Stemmer werd ontwikkeld als methode om heel snel nieuwe mutanten te verkrijgen. Waar het bij DNA-shuffling nog ging om één of enkele genen, gaat Stemmers nieuwste techniek van genome shuffling een stap verder: het maakt nieuwe combinaties van het complete DNA.

Bij normale seksuele voortplanting ontstaat eveneens zo'n genoombrede recombinatie, waarbij het nageslacht een lappendeken aan elkaar geplakte genstukken van beide ouders erft. Bacteriën planten zich echter niet geslachtelijk voort en recombineren dus niet. Om dat toch voor elkaar te krijgen brachten de onderzoekers de bacteriën eerst in het zogeheten protoplast-stadium. Dat is een vorm waarbij de bacteriën zijn ontdaan van hun omhullende celwand. Zo kunnen zij veel makkelijker fuseren en op grote schaal stukken DNA uitwisselen. De recombinante bacteriën die daaruit ontstaan zijn een genetische lappendeken van vele ouderbacteriën.

De klassieke methode om bacteriën te veredelen was altijd een moeizame en tijdrovende procedure waarbij microbiologen met behulp van UV-straling of chemische stoffen willekeurige mutaties aanbrachten in een bacteriestam, in de hoop dat er enkele gunstige mutanten bij zouden zitten. Ze selecteerden vervolgens de beste stammen en herhaalden de procedure om nòg betere stammen te verkrijgen. Op deze manier is bijvoorbeeld de antibioticumproducerende bacteriestam Streptomyces fradiae veredeld, die in grote fermentoren van Eli Lily het antibioticum tylosine (toegepast in de veehouderij) produceert. Voor het verkrijgen van deze productiestam uit de oerstam waren in twintig jaar tijd twintig opeenvolgende mutatiestappen nodig en liefst een miljoen 'assays', proeven die de effectiviteit van de antibioticumproductie van de mutanten aantoonden.

Stemmer en zijn medewerkers gebruikten dit praktijkvoorbeeld om de kracht van hun nieuwe verdelingstechniek te toetsen. Ze startten met de laagproductieve oerstam, die zij eerst aan een mutatiestap onderwierpen om een genetisch diverse populatie te verkrijgen. Van de 22.000 mutanten die daaruit voortkwamen selecteerden de onderzoekers de elf beste. Deze ondergingen genome shuffling. Duizend recombinante bacteriekolonies die daaruit voortkwamen werden getest op hun tylosine-producerende vermogen. De onderzoekers selecteerden de zeven beste voor een tweede ronde genome shuffling. Van de duizend recombinanten die daaruit voorkwamen, waren er zeven die zelfs iets meer tylosine produceerden dan de op de klassieke manier veredelde productiestam. Genome shuffling gaat met zevenmijlslaarzen door het aantal mogelijke combinaties, waardoor de bacterieverdeling veel sneller `nuttige' combinaties oplevert.