Lego van DNA

Synthetisch biologen bouwen bacteriën desnoods van de grond af op met in databases opgezochte genen. BioBricks heten de bouwstenen, in de snelle taal die bij het vakgebied hoort.

Marianne Heselmans

De grote voorvechter van de synthetische biologie, de Amerikaanse hoogleraar Jay Keasling, is eind vorig jaar door het Amerikaanse wetenschapsblad Discover uitgeroepen tot Wetenschapper van 2006. Dat was de voorlopige kroon op het werk van de enthousiaste en goed geoliede pr-machine van de synthetisch biologen. Ze hebben de afgelopen twee jaar veel media-aandacht gekregen en miljoenen dollars ‘opgehaald’ bij de verschaffers van risicokapitaal.

Keasling, begin 40, is directeur van het net opgerichte Instituut voor Synthetische Biologie in Californië, mede-oprichter van de beursgenoteerde biotechonderneming Codon Device én van het biotechbedrijfje Amyris. Hij is prominent lid van de groep jonge Amerikaanse synthetische-biologiehoogleraren die zichzelf de Bio Fab Group noemt.

“Synthetische biologie”, legde de vrolijke en relaxte veertiger Keasling in oktober op het congres Metabolic Biology in Noordwijkerhout uit, “is het construeren van nieuwe micro-organismen uit kant en klare DNA-onderdelen die we BioBricks noemen.” BioBricks bestaan uit DNA. Het zijn vooral genen, of zogenaamd regel-DNA, stukken DNA die invloed hebben op de genactiviteit. De BioBricks zijn afkomstig uit bacteriën, planten, dieren, of zelfs helemaal ontworpen. De basenvolgorden van het DNA van zo’n bouwsteen wordt gedeponeerd in databanken waar iedereen ze weer uit kan halen. Dat is het ideale geval, want heel wat Bricks worden gepatenteerd en zijn dan niet vrij voor gebruik. Wie een bacterie met BioBricks ontwerpt, hoeft in principe alleen achter de computer de gewenste BioBricks te zoeken en achter elkaar te plaatsen. De DNA-volgorde van zo’n module – “genetische circuits”, noemt Keasling ze – is dan vervolgens te bestellen bij een bedrijf dat DNA synthetiseert.

Een belangrijk verschil met de genetische manipulatietechnieken zoals die in de jaren tachtig van de vorige eeuw tot bloei kwamen, zegt Keasling, “is dat we het gewenste eindproduct als uitgangspunt nemen. Dat is het omgekeerde van hoe de biologie nu nog vaak werkt. Nu zoeken biotechnologen nog in specifieke milieus de bacterie- en schimmelsoorten die van nature iets goed kunnen: houtafval omzetten in ethanol bijvoorbeeld, of een zuur produceren. Die specialisten verbeteren ze, door een voor een hun genen uit te schakelen of te vervangen. Wij zetten ontworpen circuits van samenwerkende genen in een bekend gastorganisme. Als het ontwerp niet werkt zoals we willen, zoeken we uit wat we hieraan kunnen doen.”

hekel

Er zijn critici die het voorlopig allemaal veel geschreeuw en weinig wol vinden. Die het overdreven vinden om te zeggen dat de synthetische biologie bezig is met de ‘regeneratie van het leven’, kortweg met Life 2.0 aangeduid. Die een beetje een hekel hebben aan een modieuze bedrijfsnaam als DNA 2.0 Inc. – een van de bedrijven waar synthetische genen zijn te bestellen.

“Maar wat is er nieuw aan de synthetische biologie, behalve dat we steeds langere stukken synthetisch DNA kunnen bestellen?” Dat moppert MIT-hoogleraar Greg Stephanopoulos. Hij was in oktober ook op het congres in Noordwijkerhout, waar Keasling weer veel belangstelling trok. Stephanopoulos, een sceptische, door de wol geverfde ontwerper van stukjes regel DNA, ziet geen revolutie in het feit dat DNA nu makkelijker synthetisch is te maken. Want, zegt hij, het moeilijkste deel van het onderzoek blijft nog altijd even tijdrovend: het ontwerpen en herontwerpen van de DNA-modules en het steeds weer opnieuw uitproberen of het nu wel werkt.

Het aan elkaar schakelen van bioblokken en genetische modules, stelt Stephanopoulos, vergelijken de synthetisch biologen wel heel makkelijk met het bouwen van een radio met losse elektronica en regelknoppen. “In levende wezens zijn duizenden chemische routes met elkaar verweven”, werpt hij tegen.

Keasling heeft dat probleem in ieder geval al één keer opgelost. Het door hem opgerichte bedrijf Amyris heeft bacteriën geconstrueerd die de grondstof artemisinine voor een malariamedicijn maken. Die grondstof komt nu uit een plant, een alsem (Artemisia annua) die in China al als traditioneel kruidenmedicijn tegen malaria werd gebruikt. De productie van artimisinine is echter moeilijk, waardoor het medicijn duur is.

In Keaslings lab op Berkeley University in Berkeley, California, hebben synthetisch biologen twaalf genen van de alsemplant en nog een twintigtal andere genen modulegewijs in de bekende darmbacterie Escherichia coli gebouwd. De genen zijn gekoppeld aan stukken DNA die op signaalmoleculen reageren, zodat de genen op het juiste moment actief zijn om de achtereenvolgende reactiestappen uit te voeren.

De publicatie over het project verscheen in Nature Biotechnology van juli 2003. De onderzoekers verkregen uit hun geconstrueerde bacterie een hoge opbrengst artemisinezuur, een tussenproduct dat nog maar drie, vrij makkelijke reactiestappen verwijderd is van artemisinine.

Veel media-aandacht kreeg vervolgens de subsidie van 42,6 miljoen dollar van de Bill & Melinda Gates Foundation die het artimisinineproject vervolgens in 2005 kreeg. Het Microsoft-echtpaar Gates geeft alleen geld voor onderzoek dat in de ogen van de Foundation goed is voor de wereld. Het op het project gebouwde bedrijfje Amyris leeft – behalve van de subsidie van de Gates Foundation – van ruim 20 miljoen dollar die afgelopen najaar van investeringsmaatschappijen zijn verkregen.

De proof of the pudding mag er dan zijn, critici als Stephanopoulos hebben meer bezwaren. Het gróotste probleem is volgens hem nog wel dat het laten produceren van stoffen die bacteriën vanouds niet maken – wat de synthetisch biologen willen gaan doen – producten oplevert die giftig zijn voor de producent. Veel industriële producten – zuren, medicijnen, biobrandstoffen, plasticgrondstoffen – doden bacteriën zodra de concentratie ervan in het reactievat oploopt.

zuur

Ok, geeft Stephanopoulos toe, de synthetisch biologen kunnen daarvoor weer nieuwe genetische circuits ontwerpen: bijvoorbeeld modules waarmee het zuur dat de bacterie binnendringt weer naar buiten wordt gepompt, of waarmee de bacteriecel ondoordringbaar wordt voor zuur. Stephanopoulos: “Maar die verstoren wellicht weer op een andere manier de groei. Waarom al die moeite, als er schimmels zijn die van nature gedijen bij een zuurgraad van nul? Het ideaal van de synthetisch biologen is om synthetische gastorganismen te maken. Ik zie niet waarom die per se beter zouden werken dan natuurlijke.”

De ‘synthetische gastorganismen’ zijn inderdaad een droom van de synthetisch biologen, niet als doel, maar als middel. Synthetische gastorganismen zijn naar verwachting vooral handig. Het zijn organismen – de naam bacterie wordt vermeden – waarvan al het DNA uit de DNA-synthesemachine komt. Biotechnologen kunnen daar makkelijk hun BioBricks inbouwen. Die organismen hoeven niet nieuw te zijn.

Beter nog zijn bekende organismen waarvan de genen overzichtelijker zijn gerangschikt. Een groot probleem van bestaande micro-organismen is dat door ‘slordige’ evolutie genen elkaar overlappen en dat er stukken DNA tussen de genen liggen die geen, of een onbekende functie hebben, maar die misschien toch invloed hebben.

Drew Endy van het MIT in Boston, die samen met Keasling het synthetisch biologisch bedrijfje Codon Device oprichtte, doet wat aan die slordige overlappen en schijnbaar nutteloze stukken DNA in gastorganismen, zo vertelde hij in The Economist van 12 augustus. Bij een bacterie lukte het hem nog niet, maar alle genen en ander functioneel DNA van het virus T7 (dat bacteriën infecteert) heeft hij synthetisch laten maken. En hij koppelde de genen en stukken regel-DNA netjes overzichtelijk aan elkaar. Het ‘opgeschoonde’ virus infecteert nog steeds bacteriën, maar zijn studenten kunnen er nu wel gemakkelijker nieuwe bioblokken tussen zetten.

gastbacterie

Met de genetisch wat ingewikkelder bacteriën is hetzelfde nog niet gelukt. Drie jaar geleden synthetiseerde de befaamde genenjager Craig Venter als eerste een compleet virusgenoom. Zijn bedrijf Celera probeert ook als eerste een synthetische gastbacterie te maken die niet in de natuur kan overleven. Volgens Venter gaat dit binnen twee jaar lukken. Ingewijden met cynische inslag wijzen erop dat hij dat twee jaar geleden ook al zei.

Sef Heijnen, hoogleraar biotechnologie in Delft en organisator van het congres in Noordwijkerhout, verwacht – met of zonder nieuwe buzz termen – steeds meer synthetisch DNA in industriële gastorganismen. “Je knutselt tegenwoordig vrij gemakkelijk een genetisch circuit in elkaar.” Maar Heijnen wil hierbij de natuurlijke evolutie een plaats blijven geven. Een cel kan zijn nieuw verkregen chemische routes namelijk ook zelf met zijn eigen routes in balans brengen en verbeteren.

Zo maakt zijn Delftse collega Jack Pronk nu een bakkersgist die de suiker xylose uit gewasresten kan omzetten in bio-ethanol. Van nature kan bakkersgist niks met dit afbraakproduct van cellulose. Daarom zette de groep er een gen in van een ware xylose specialist: een schimmel uit de poep van een Indische olifant. Aanvankelijk at de nieuwe bakkersgist de xylose nog steeds niet zo goed. Maar na hem negentig dagen op xylose te laten groeien, zette hij zijn nieuwe voedsel al tien keer sneller om dan op dag 1. Heijnen: “Er komen vanzelf allerlei mutaties in het DNA. En de bakkersgist die daarmee het best op xylose groeit, blijft over.”

Keasling laat zich nergens door uit het veld slaan. Synthetiseren vindt hij nuttig. Op die manier zijn volgens hem ook makkelijker ‘logische’ genetische circuits te bouwen. Zoals: bij rook wordt een organisme groen, bij voldoende suiker gaat hij een medicijn produceren, en boven de veertig graden gaat hij dood.

De synthetisch biologen halen daarbij hun inspiratie uit steeds omvangrijker wordende databanken waarin de basevolgorde van DNA met een regelende functie en van genen met bekende functies wordt opgeslagen. Die stukken komen inmiddels uit tientallen soorten: kwallen (voor fluorescerende eiwitten), methaanbacteriën (genetische circuits voor methaanproductie), spinnen (voor ‘stalen’ eiwitdraden), de narcis (enzymen voor vitamine A productie), de aardbei (voor aardbeiensmaakstof), de schorpioen (voor gifstoffen) en de mens (voor eiwitten die medisch bruikbaar zijn)

De laboratoria knippen en plakken de bioblokken aan elkaar. En als ze in het gastorganisme onvoldoende blijken te werken, worden de basenparen – de DNA-bouwstenen – gewoon wat aangepast. De synthetisch biologen schrikken er ook niet meer voor terug om zelf nieuwe stukken regel-DNA te ontwerpen.

Daarmee gaat de synthetische biologie een stuk verder dan de eerste genetische manipulatie van bacteriën, een techniek die in de jaren zeventig van de vorige eeuw is ontwikkeld. Die ontstond door de vondst van enzymen waarmee men de DNA-keten op gewenste plaatsen open kon knippen en weer aan elkaar kon plakken. Met die enzymen konden biotechnologen stukken DNA van het ene organisme in het andere overbrengen.

Jarenlang beperkte deze manipulatie zich tot één, of hoogstens een paar soortvreemde genen met een bijbehorend stuk regel-DNA. Dat gold ook voor de omstreden insectenresistente maïs en herbicideresistente soja, die al 20 jaar geleden werd gemaakt. Hier wordt nog steeds tegen geprotesteerd. Maar de genetische ingreep bij die gewassen is heel bescheiden vergeleken bij de organismen die laboratoria nu maken.

In mei was er een congres in Californië over de risico’s van synthetische biologie. Het risico van ontsnapping uit de bioreactoren werd erg onwaarschijnlijk geacht. Daarbij zouden de organismen in de natuur ook niet overleven, omdat ze daar niet op zijn gebouwd. Eén gevaar zagen de congresgangers echter wel: de per internet gemakkelijk verkrijgbare DNA stukken kunnen terroristen of kwaadwillende regimes gebruiken voor biowapens. Dit leverde een concrete aanbeveling op: bedrijven moeten verdachte bestellingen melden bij de overheid. De Bio Fab Group vreest echter meer het dichtpatenteren van alle bioblokken.

overgang

Vlak voor Kerst publiceerde het Nederlandse Rathenau-instituut het rapport

Ondanks dat beginstadium zijn er inmiddels wel meer successen te melden dan alleen het artimisinineverhaal. Keaslings groep maakte inmiddels een bacterie die een goedkoop aids-medicijn produceert: gebaseerd op een plantenstof van een boom die groeit op Samoa – de bevolking van Samoa gaat delen in de winst.

En het Amerikaanse chemieconcern Tate en Lyle bouwt voor honderd miljoen dollar een biotechnologische fabriek die uit maïssuikers 1,3 propaandiol maakt, een hoogwaardige grondstof voor kunststoffen. De basis is een veranderde darmbacterie E. coli, waar zo’n veertig synthetische genen plus stukjes regel DNA in zijn gebouwd. Dit is een van de eerste fabrieken waar micro-organismen uit gewassen of groenafval bioproducten maken.

    • Marianne Heselmans