Wie maakt de gaafste levende machientjes?

Synthetische biologie Op iGem, eind oktober in Boston, strijden 371 studententeams met elkaar, waaronder zes Nederlandse. Ze maken bijzondere levende cellen.

Openingsceremonie van iGEM editie 2017. Foto Justin Knight

Het eiwit doet „nog niet helemaal” wat ze willen – Rianne Prins (23) uit Groningen formuleert het voorzichtig. Haar teamgenoot Jacques Hille (25) vult aan: „Nog helemaal niet. Maar we hebben nog even, dus we blijven optimistisch.”

Hille en Prins hebben samen met tien teamgenoten een gist ontworpen die cellulose afbreekt en uiteindelijk zorgt voor de productie van styreen, een organische verbinding die wordt gebruikt voor de productie van plastic. Hun team doet namens Rijksuniversiteit Groningen mee aan iGEM, een jaarlijkse internationale wedstrijd voor studententeams. iGEM staat voor ‘International Genetically Engineered Machine Competition’. Het doel is dat de teams met behulp van synthetische biologie levende cellen nieuwe eigenschappen geven.

Vier van de Nederlandse teams ontmoet ik eind september op de Uithof in Utrecht, ruim een maand voor de ‘iGEM-jamboree’ in Boston, waar van 25 tot 28 oktober alle 371 deelnemende teams van over de hele wereld samenkomen en de winnaars bekend worden gemaakt.

Bij synthetische biologie worden compleet nieuwe genen ontworpen

Synthetische biologie bestaat al sinds de jaren zeventig. Het vakgebied lijkt op genetische modificatie, met het verschil dat niet alleen het DNA van bestaande organismen wordt aangepast, maar dat ook compleet nieuwe genen en gencombinaties worden ontworpen. Synthetisch biologen omschrijven zichzelf vaak als ingenieurs. In plaats van in te zoomen op een detail binnen de moleculaire biologie, denken ze grootschaliger: hoe kun je die nieuwe genen en gencombinaties inbouwen in een ‘levend systeem’ (bijvoorbeeld een bacteriële of dierlijke cel) zodat er een werkend geheel ontstaat?

Synthetisch biologen werken met ‘BioBricks’: genetische bouwstenen die als een soort Lego-blokjes te combineren zijn. De iGEM-competitie helpt bij het ontwikkelen van nieuwe varianten, maar in de praktijk blijft het een hele stap om zo’n BioBrick in te passen in een levend systeem. Zo verscheen er in 2015 een artikel in het Journal of Biological Engineering van onderzoekers die BioBricks in zes stammen van de bacterie Escherichia coli inbouwden, en ontdekten dat elke stam heel anders reageerde. Dat laat zien hoe lastig het is om te voorspellen wat een BioBrick voor effect zal hebben.

Team Eindhoven

Sander Keij (22) van het Eindhovense team: „Bij iGEM krijgen alle teams in principe als basis Escherichia coli. Daar voegen we BioBricks aan toe, zodat er nieuwe functies ontstaan. We gebruiken de bacterie als transportmiddel voor onze BioBricks, we passen geen bestaande processen aan. Wil je dat wel doen, dan vindt er veel meer interactie plaats met de levende cel. Dan wordt het veel ingewikkelder.”

Bacteriële cellen zijn relatief eenvoudig om mee te werken. Maaike de Jong uit het Leidse team: „Bacteriën beschikken over plasmiden, cirkelvormige strengen DNA. Die plasmiden kun je openknippen en er dan een BioBrick tussenzetten.” Net als bij genetische modificatie gebeurt het knippen en plakken met behulp van enzymen. De Jong: „Een van de methoden die daarvoor gebruikt kan worden is CRISPR-cas9, waarover je de laatste tijd zoveel hoort, maar er zijn ook andere enzymen die het knip- en plakwerk kunnen verrichten.”

Tienduizenden BioBricks

Alle BioBricks die ooit ontworpen zijn, tienduizenden in totaal, staan in een openbare database, stuk voor stuk voorzien van naam, genenvolgorde en functie. Laurens ter Haar van het Leidse team: „Een deel van die BioBricks komt voort uit eerdere iGEM-projecten. Ze zijn niet allemaal even goed, dus sommige kunnen nog wel wat verbeteringen gebruiken. Om kans te maken op een gouden medaille moet je als iGEM-team onder andere een verbeterde BioBrick produceren.”

Is zo’n databank niet heel makkelijk te hacken? De Jong: „Je kunt er als buitenstaander wel in, maar het is heel moeilijk navigeren. We hebben het met het RIVM wel gehad over mogelijk misbruik van onze BioBricks, maar zij schatten het biosecurity-risico niet zo hoog in. Daarvoor is het net allemaal te ingewikkeld. Dat het online staat, betekent nog niet dat je de bouwstenen zo makkelijk in elkaar kunt zetten. Het is niet zomaar wat simpel knip-en-plakwerk. Een terrorist die kwaad in de zin heeft, zal waarschijnlijk zoeken naar makkelijkere manieren.”

Prins: „Je mag niet zomaar iets gevaarlijks ontwerpen. Er zijn ook wel manieren om het te controleren. Onze gist heeft bijvoorbeeld een bepaald aminozuur nodig om te groeien. Het is daarvan afhankelijk, en kan niet zomaar vrij in de natuur groeien.”

De studenten worden vanuit iGEM juist ook gestimuleerd om erover na te denken hoe ze veilige BioBricks maken. De Jong: „Je moet goed kunnen uitleggen waar je mee bezig bent, dat is ook een onderdeel van iGEM. We hebben ook op publieke events gestaan en met mensen gesproken over synthetische biologie. De meeste mensen vinden het prima zolang het in het lab gebeurt, maar als je het over het modificeren van voedsel hebt, bijvoorbeeld, dan vinden ze het plotseling niets meer.”

Marjolein ten Dam (21) van het Utrechtse team: „Bij de meeste BioBricks is wel een soort kill switch ingebouwd, zodat ze buiten de gecontroleerde omgeving van het lab niet zonder meer werken.” Synthetische biologie wordt ook al met succes in het echt toegepast, benadrukken de teams – bijvoorbeeld voor de productie van artemisinine, een medicijn tegen malaria.

Heel veel eerdere iGEM-projecten zijn nooit afgerond. Daarom baseren veel teams hun creatie op die van hun voorgangers. Dat wordt vanuit iGEM ook gestimuleerd, vertelt Sander Keij (22) van het Eindhovense team, dat een ‘levende pleister’ heeft gemaakt die helpt bij wondgenezing (zie inzet). „De competitie is veel meer dan alleen labwerk. Het gaat ook over samenwerking. Je moet sponsoren werven, voor crowdfunding zorgen. Je wordt bijvoorbeeld ook beoordeeld op hoe je website eruitziet. Die multidisciplinariteit maakt het juist zo leuk, elk team bestaat uit studenten van verschillende richtingen – biologie, economie, scheikunde, communicatie…”

Blauw vlees

Studiepunten krijgen de studenten er niet voor. De teams zijn in februari begonnen met het project. Keij: „De hele zomer zijn we er vrijwel fulltime mee bezig geweest. Buiten was het bloedheet, maar dan was het in het lab lekker koel.” De andere teams knikken instemmend.

Khadija Ahmiane (22) van het Utrechtse team, dat een biosensor heeft ontwikkeld om medicijnresten in water mee op te sporen: „Het is een hoop trial and error. Er gaat altijd van alles fout, wat je bedacht hebt werkt niet altijd. Het blijft een levend systeem waar je in werkt.” Ten Dam (21): „Het gaat ook best traag. Wachten tot de bacteriën gegroeid zijn, wachten of er wat gebeurt…” Keij: „Je hebt een reageerbuisje waarin je wat vloeistoffen bij elkaar gooit. Als de BioBrick in de bacterie zit, zie je eerst niets gebeuren, maar na een paar dagen wachten kun je met bijvoorbeeld fluorescentie aantonen dat het werkt – áls je geluk hebt.”

Prins: „Het leuke is dat we al door verschillende bedrijven worden benaderd die de potentie zien van ons product, en die ook met ons meedenken. Zo krijgen we bijvoorbeeld cellulose aangeleverd van een bedrijf dat wc-papier recyclet, en zijn we in gesprek met een speelgoedfabrikant die interesse heeft in ons eindproduct.”

Drie keer heeft een Nederlands team de iGEM-competitie tot nu toe gewonnen, vertelt Hille. „In 2012 won Groningen met een BioBrick die ervoor zorgde dat vlees blauw kleurt zodra het gaat rotten. Het leukste zijn zulke projecten, die je ook echt in het dagelijks leven kunt toepassen.” „Je ziet de laatste jaren wel echt progressie binnen de synthetische biologie”, zegt Ahmiane. „Denk aan kweekvlees en regeneratieve geneeskunde. Het is mooi om daar via iGEM een klein beetje aan te kunnen bijdragen.”

Prins: „Het is belangrijk om na te denken waar we heen willen met de synthetische biologie. Het is mooi om from scratch een bacteriële cel op te bouwen, heel minimalistisch, met zo min mogelijk onderdelen… Maar menselijke cellen zijn veel complexer. De synthetische mens is nog niet in zicht.”

    • Gemma Venhuizen