Uitgeklede bacterie

Geneeskunde Tijdens een jaarlijks ontmoeting tussen Nobelprijswinnaars en jonge onderzoekers vertelt Hamilton Smith (geneeskundeprijs in 1978) hoe hij een bacterie maakt met minimaal DNA.

Samen met 22 andere Nobelprijswinnaars reisde Hamilton Smith (1931) vorige maand af naar het Duitse Lindau, een stad en eilandje in het Bodenmeer. Al zestig jaar komen Nobelprijswinnaars en jonge onderzoekers er bijeen voor de Lindau Nobel Laureate Meetings, een jaarlijks congres waar winnaars van de Nobelprijs voor de Geneeskunde kennis en ervaring uitwisselen met jonge onderzoekers. Die onderzoekers kunnen er maar één keer in hun leven voor worden uitgenodigd – tenzij ze erin slagen om zelf een Nobelprijs te winnen en later als spreker in Lindau terug te keren. De Nobelprijswinnaars zelf zijn uiteraard ook vaker welkom; elk jaar zijn er ruim 20.

Hamilton Smith won de Nobelprijs voor de Geneeskunde in 1978 voor zijn ontdekking van restrictie-enzymen. Deze enzymen knippen DNA op specifieke plekken in kleine stukjes. Biotechnologen gebruikten deze enzymen al snel nadat Smith ze had ontdekt, om DNA eenvoudig te herschikken.

In samenwerking met Craig Venter slaagde Smith er in 1994 als eerste in om het complete genoom van een bacterie te bepalen. Later brachten zij ook het DNA van fruitvlieg, mens en muis in kaart. Vorig jaar haalde het onderzoek van Smith en Venter nog de kranten, toen bekend werd dat hun onderzoeksteam een levende, bacteriële cel met een kunstmatig genoom had gecreëerd. Al met al is Hamilton Smith inmiddels al 55 jaar actief in de wetenschap.

Op de laatste dag van de conferentie is Smith moe. Moe van de voordrachten, paneldiscussies, ontmoetingen en diners. “Elke dag is volgepland. Zelfs toen ik in het leger zat werd ik niet zo zwaar gedrild”, verzucht hij. Vandaag ontsnapte hij aan de strakke programmering. In plaats van een discussie over mondiale gezondheid bij te wonen, bezocht hij de bloementuinen van het naburige eiland Mainau.

Op een terras, uitzicht op het water, toont de oude Nobelprijswinnaar zich van zijn beste kant. Nog één interview, ook al heeft hij er een hekel aan: “Door mijn gehoorproblemen versta ik interviewers vaak slecht.”

Waarom wilde u een kunstmatige cel maken?

“Ik wil de cel leren begrijpen, net zoals we virussen begrijpen. Van virussen weten we nagenoeg alles. Ze hebben een beperkt aantal genen en van elk gen weten we precies wat het doet. Maar voor cellen hebben we zoiets niet. Zelfs de simpelste bacteriecel heeft genen waarvan we niet begrijpen wat ze doen of waarom ze belangrijk zijn.”

Hoe draagt een kunstmatige cel daaraan bij? Begrijpt u elk onderdeel van deze cel?

“Nee. Onze synthetische cel is een licht aangepaste kopie van een bestaande bacteriecel, Mycoplasma mycoides. Deze bacterie heeft een van de kleinste genomen in het bacterierijk, maar we weten niet wat elk gen doet. We weten al dat mycoides mutaties in 600 van zijn 900 genen verdraagt.

“Vergelijk het met de verbrandingsmotor van een auto. Daarin zitten ook veel perifere onderdelen, zoals de uitlaatpijp, die niet nodig zijn om de verbrandingsmotor te laten draaien. Die onderdelen gaan we nu één voor één verwijderen, net zolang totdat we iets weghalen waardoor de cel zich niet meer kan delen. Dan plaatsen we dat gen terug en halen we een ander gen weg. Uiteindelijk komen we zo op een punt waar er niets meer te verwijderen valt. Dat is de minimale cel.”

Wat bent u van plan met deze minimale cel?

Lachend: “Waarschijnlijk niets! Het zal een zwakke cel zijn die we in het laboratorium moeten knuffelen en pamperen om hem überhaupt in leven te houden. Ik verwacht vooral te leren van het stapsgewijs verwijderen van genen.

“Misschien ontdekken we dat er verschillende minimale cellen zijn. Dat ligt aan hoe vaak verschillende genen in het genoom dezelfde functies vervullen. Een functie kan onmisbaar zijn, maar als er in de cel drie verschillende genen deze functie hebben, zijn er toch veel manieren om het genoom te reduceren. Eén manier is dan om gen A en B te verwijderen, een andere om B en C te verwijderen, enzovoorts.”

Is een kunstmatig genoom gevaarlijker dan een natuurlijk genoom?

“Mycoplasma mycoides, de bacterie waar ons kunstmatig genoom een kopie van is, maakt geiten ziek. De stam die wij gebruikt hebben, is echter ongevaarlijk. Geiten die ermee besmet raken worden maar een beetje ziek. Toch hebben we de ziekteverwekkende genen uit het kunstmatige genoom verwijderd. Alles wat we doen maakt de cel zwakker: we halen alleen maar weg. In principe is onze cel dus veilig, maar we hebben hem nooit in geiten getest. Geiten zijn duur en we weten niet zo goed hoeveel we er moeten testen om aan te tonen dat het veilig is. Craig Venter wil wel dat we het gaan doen, omdat iedereen er tijdens lezingen naar vraagt.”

U heeft ‘watermerken’ aan het DNA toegevoegd: stukjes DNA die een code voor uw namen bevatten. Is dat een manier om aan te geven dat dit kunstmatige leven u toebehoort?

“Ik vertel graag dat als onze bacterie uit het laboratorium ontsnapt, onze namen voor altijd zullen voortleven in de natuur, maar dat is niet echt waar. De code die wij hebben ontworpen voor onze watermerken is biologisch neutraal. Omdat de watermerken geen functie hebben, vindt er geen selectie plaats en lopen ze mutaties op. We hebben er niet echt over nagedacht hoe we onze naam kunnen vereeuwigen. Het is gewoon een hoopje letters.”

Is het uiteindelijke doel niet om in plaats van een kopie, een eigen cel te bouwen?

“Ontwerpen bedoelen je! Als we eenmaal weten wat de basisonderdelen van de cel zijn, willen we met de computer onze eigen genomen ontwerpen. De eerste cel die we zo maken wordt een krachtige, fotosynthetische cel. Eentje die licht, koolstofdioxide en water opneemt en daarmee alles produceert wat het nodig heeft. We zijn van plan om te werken met een soort bibliotheek waarin verschillende genvarianten zijn opgenomen die coderen voor enzymen die alle benodigde biochemische uitvoeren. Daarmee genereren we een boel verschillende genomen, waaruit we vervolgens de efficiëntste selecteren.”

U sleutelt vooral aan DNA. Is een cel niet veel meer dan alleen zijn genetisch materiaal?

“Het is een beetje een kip-of-ei-probleem. Zonder het DNA is er geen cel, en zonder cel geen DNA. Toch richten we ons vooral op het maken van DNA omdat de technieken om DNA te bepalen en synthetiseren zo geavanceerd zijn. En het genoom is toch het besturingssysteem van de cel.

“We zijn nog wel afhankelijk van een bestaande cel om ons gekopieerde genoom op te starten. Maar meteen nadat het kunstmatige genoom in een andere cel is getransplanteerd, begint het al zijn eigen eiwitten te maken. Na ongeveer twintig celdelingen zijn de oorspronkelijke eiwitten zo verdund dat ze niet meer te detecteren zijn. Alle eiwitten die je dan nog vindt zijn afkomstig van het kunstmatige genoom.”

Kleven er geen ethische problemen aan het creëren van kunstmatig leven?

“Ik denk daar niet te veel over na. Het is alsof ik alle discussies van het recombinant-DNA-tijdperk herbeleef. De ontdekking van restrictie-enzymen maakte het toen mogelijk om DNA in stukjes te knippen en te herschikken. We dachten dat wij verder konden gaan waar de natuur ophield. Later realiseerden we ons pas dat deze processen in de natuur ook voorkomen. De bezwaren tegen recombinant-DNA technieken verdwenen toen min of meer.

“Nu kunnen we DNA maken dat voorheen niet bestond of aanpassingen doen die niet met natuurlijke genetische methoden te maken zijn. Toch maak ik me geen zorgen. De technieken zijn misschien krachtiger, maar we weten niet genoeg om cellen te ontwerpen die gevaarlijk zijn. Elke cel die we maken is meer gespecialiseerd dan wat er in de natuur bestaat.”

U hebt die restrictie-enzymen mede ontdekt. Hoe kijkt u terug op de ontwikkelingen in de biotechnologie sindsdien?

“Toen ik dat restrictie-enzym had opgezuiverd en bestudeerd, kon ik onmogelijk alle gevolgen van die ontdekking overzien. Ik dacht vooral dat ik een mooi staaltje biochemisch werk had afgeleverd. We waren zo onwetend. Toen ik geneeskunde studeerde in de jaren ’50 had niemand het over DNA. We wisten niet welke cellen antilichamen produceren. Ik kon me toen niet voorstellen hoe ver we nu zijn gekomen. Soms vragen mensen me hoe de toekomst er over 50 jaar uit zal zien. Het zal onvoorstelbaar zijn.”

Vindt u die ontdekking nog altijd Nobelprijswaardig? Zou u de prijs liever voor ander werk hebben gekregen?

“Ik heb me altijd schuldig gevoeld dat ik die prijs voor restrictie-enzymen heb gekregen. De reden is dat Matt Meselson het allereerste restrictie-enzym heeft gevonden, in 1968. Een week nadat ik zijn publicatie had gelezen ontdekte ik bij toeval een dergelijk enzym in de bacterie Haemophilus influenzae. Ik nam aan dat mijn enzym vergelijkbaar was met dat van Meselson. Pas later realiseerde ik me dat mijn enzym eenvoudiger en specifieker DNA knipt. Een meevaller, eigenlijk. Toen ik de Nobelprijs won heb ik Meselson een brief geschreven waarin ik mijn excuses aanbood voor het winnen van de prijs. Hij had tenslotte het baanbrekende werk gedaan. Ik was natuurlijk blij, maar ik heb altijd het gevoel gehad dat Matt in de prijs had moeten delen.”

U werkt nauw samen met Craig Venter, die een rebels imago heeft. Hoe is dat? Is hij niet te opruiend voor een serieuze wetenschapper als u?

“Dat is de verkeerde indruk. Hij is een briljant wetenschapper. Veel van de ideeën voor ons onderzoek komen van hem. Hij is verantwoordelijk voor de gehele metagenomics beweging [het bepalen van al het DNA dat aanwezig is in een bepaald monster – LB]. Zijn team bepaalde de eerste DNA-sequenties van bacteriën. Hij bracht een grote groep wetenschappers samen om het menselijke genoom te bepalen. Hij bedacht de methode waarmee de genen in het menselijke genoom zijn opgespoord. Hij zou hier moeten zijn.”

Denkt u echt dat hij de Nobelprijs zal krijgen?

“Dat kan ik niet zeggen, maar ik vind dat hij er een verdient. Het hele genomicsveld loopt tien jaar voor op hoe het was geweest als Craig er geen rol in had gespeeld. Ik leid dan wel het team dat verantwoordelijk is voor de kunstmatige cel, maar Craig brengt ons vooruit. Als we vastzitten heeft hij de oplossing. Hij is een geweldige man en als hij je aardig vindt, is hij erg genereus. Ik ontmoette hem voor het eerst in 1993. De 18 jaar die we nu samenwerken waren fantastisch.”

Glimlachend: “Bovendien houdt hij me in dienst op mijn oude dag. Dat is ook wat waard!”