De nieuwe bouwsteen van het leven heet XNA

In de natuur komt alleen DNA of RNA voor, geen varianten Nu experimenteren onderzoekers met XNA Voor medicijnen, of voor veilige bacteriën die met XNA niet buiten het lab kunnen overleven

De DNA-helix bestaat uit een ruggegraat van fosfor (P), een suikergroep (D) en nucleotiden (A,C,G,T). De suikergroep is door alternatieve moleculen (X) te vervangen, die niet in de natuur voorkomen. Illustratie roland blokhuizen

Medewerker wetenschap

Het zinkviooltje, de schildpad, de darmbacterie Escherichia coli, wijzelf. We weten niet beter of alle levende wezens krijgen nakomelingen dankzij twee erfelijkheidsmoleculen: DNA en RNA. In DNA ligt hun genetische informatie meestal opgeslagen. En via RNA wordt die informatie vertaald in de duizenden verschillende eiwitten die een cel nodig heeft.

Maar nee, nu lijkt leven ook te kunnen bestaan met heel andere erfelijkheidsmoleculen dan DNA en RNA. Met ‘TNA’ bijvoorbeeld. Of met ‘CeNA of ‘HNA’. Daar ging het deze maand over, op een symposium over de grenzen van de synthetische biologie, in Nijmegen.

De bedenkers willen met deze exotische moleculen stabiele medicijnen maken die langzaam door het lichaam worden afgebroken. Ook denken ze dat ze er biotechnologie veiliger mee te kunnen maken. Want genetisch gemodificeerde organismen met deze vreemde moleculen als informatiedrager, zouden in de vrije natuur niet kunnen overleven.

Geen D of R, maar X

DNA ziet er uit als een gedraaide ladder. De poten zijn suikerkettingen, gekoppeld aan een fosfaat. En de sporten de vier verschillende bouwstenen of ‘basen’. De volgorde van die basen bepaalt of we blauwe of bruine ogen hebben en lange of korte tenen.

De X in XNA staat nu voor een alternatieve suikerketen, een ander type poot van de ladder dus. Geen deoxyrobiose (D) of ribose (R) zoals in DNA en RNA. Maar hexitol in het geval van HNA, of threose in TNA.

Philipp Holliger, onderzoeksleider op de Universiteit van Cambridge, zegt zeker te weten dat er elders in de kosmos leven is, gebaseerd op dergelijke, voor ons vreemde informatiedragers. „Eigenlijk is het zelfs niet logisch dat leven op DNA en RNA is gebaseerd”, zo zei hij. „DNA en RNA zijn nogal fragiel. Bij bijvoorbeeld veel zuur gaan ze snel kapot.”

XNA’s komen dus niet in de natuur voor, maar chemici kunnen ze al wel zo’n twintig jaar te maken. Tot vorig jaar konden ze XNA-laddertjes maken van zo’n zes bouwstenen. Het vakgebied kreeg echter een enorme stimulans toen de groep van Holliger ineens zes verschillende XNA’s wist te maken van zo’n 70 tot 80 bouwstenen lang (Science, 12 april 2012).

Dat is ze gelukt omdat ze voor het eerst twee typen enzymen voor XNA’s in handen hadden. Eentje kan XNA omzetten in DNA en de ander kan DNA weer omzetten in XNA. In een buisje met de juiste DNA- en XNA bouwstenen en deze enzymen kunnen nu dus zes verschillende XNA’s, waaronder ‘FANA’ , ‘CeNA’ en ‘HNA’, zichzelf vermeerderen.

De synthetisch biologen maakten die enzymen zelf, door enzymen die DNA vermeerderen op allerlei manieren een beetje te veranderen. Vervolgens stelden ze die varianten bloot aan XNA-bouwstenen. Zij die deze vreemde bouwstenen het beste konden grijpen en aan elkaar konden rijgen mochten door. Een soort evolutie in een reageerbuis dus.

Synthetisch bioloog John Chaput van de Arizona State University in de VS heeft zo een enzym geselecteerd die in 24 uur een TNA-ladder van 70 bouwstenen kan maken. Beide labs kunnen nu enkele milligrammen XNA per dag maken. Maar elke stap gaat nog handmatig en het gesynthetiseerde XNA is daarom erg duur.

Zowel Chaput als Holliger willen nu de XNA-productie goedkoper maken voor medisch onderzoek, zoals XNA’s die specifiek een bepaald eiwit kunnen binden. Deze zouden gebruikt kunnen worden om de vorming van bloedvaatjes te remmen bij kankerpatiënten, waardoor tumoren niet meer groeien.

In de ontwikkeling van dergelijke therapeutische DNA- en RNA-fragmenten is inmiddels al zeker een miljard euro gestoken. Maar dit werd steeds in het lichaam weer afgebroken. De synthetisch biologen hopen nu dat XNA-laddertjes stabielere medicijnen gaan opleveren.

Niet snel kapot

In ieder geval heeft Holliger al aangetoond dat HNA zelfs azijn nog kan verdragen, waarin DNA en RNA allang uit elkaar zouden zijn gevallen. XNA’s, zo menen de synthetisch biologen, zouden vanwege hun sterkte ook geschikter dan DNA kunnen blijken voor informatieopslag. Vorig jaar is een eerste boek in DNA-code opgeslagen en vermeerderd.

Onderzoeksleider Piet Herdewyn van de Universiteit Leuven denkt over vijf tot tien jaar een E. coli-bacterie te hebben gemaakt met behalve DNA ook een laddertje XNA erin. Die bacterie leeft op speciaal voedsel: een oneetbare synthetische verbinding die alleen kan worden omgezet in verteerbaar voedsel door bacteriën met dat XNA erin.

„Dergelijk XNA kan een genetisch gemodificeerd organisme veiliger maken”, schetst Herdwyn. „Zo’n organisme kan namelijk niet meer buiten de reactor overleven.” Daar zijn immers geen XNA-bouwstenen. En ook synthetisch gemaakt voedsel kan hij er niet vinden. XNA kan zich ook niet mengen met het DNA in de darmbacteriën van de fabrieksmedewerker. Het synthetisch gemaakte DNA dat nu in veel reactororganismen zit, kan dat, als de industriële bacterie zou weten te ontsnappen, in theorie wel. De techniek zou ook voor planten kunnen worden ingezet, maar Herdewyn verwacht niet dat mensen maïs of tarwe met XNA zullen eten.

De volgende stap is een grotere XNA-ladder die in een bacterie of gist ook verbeterde industriële enzymen maakt, bijvoorbeeld voor de omzetting van landbouwafval in energie. Herdewyn lijkt het vooralsnog te lastig om eencelligen te bouwen die alleen op een XNA-systeem leven. Ook Holliger is dit niet van plan. Maar de Engelse hoogleraar zou zo’n project wel toejuichen. „Het zou ons veel leren over de evolutie.”