Bacterie maakt nieuwe eiwitten na wisseltruc met dna

Biologie Een genetische revisie van een bacterie heeft als bonus dat hij resistent is geworden voor virussen. „Dat biedt een groot voordeel voor de industrie.”

Een petrischaaltje met de bacterie.
Een petrischaaltje met de bacterie. Foto University of Cambridge

Britse biotechnologen hebben het dna van een bacterie zodanig veranderd dat ze totaal nieuwe eiwitten kan maken. Behalve de twintig aminozuren die organismen normaal gebruiken voor het opbouwen van eiwitten, kan deze bacterie nog drie andere synthetische aminozuren naar keuze inbouwen in haar eiwitten. Dat levert mogelijkheden op voor de productie van nieuwe industriële enzymen, antibiotica en wellicht zelfs biologisch afbreekbaar plastic.

De resultaten van het onderzoek, uitgevoerd onder leiding van Jason Chin van de University of Cambridge, verschenen vorige week in Science. Syn61delta3, zoals de onderzoekers hun bacterie noemen, is een extreme makeover van de bekende darmbacterie Escherichia coli. In het dna ligt de aminozuurvolgorde van eiwitten vast in een drielettercode per aminozuur, een zogeheten codon. Maar omdat er veel meer drielettercodes mogelijk zijn (64) dan er natuurlijke aminozuren zijn (20), zijn er diverse aminozuren die genetische „synoniemen” hebben. Voor ieder van de aminozuren serine, leucine en arginine bestaan wel zes van zulke synoniemen.

Drie synoniemen

Het team van Chin maakte twee codons van serine vrij door ze overal in het genoom te vervangen door een synoniem. Op die manier blijft een codon over, zonder gevolgen voor de eiwitaanmaak door de bacterie. Dezelfde wisseltruc pasten ze toe op een zogeheten stopcodon, waarvan de bacterie drie synoniemen heeft. Een stopcodon geeft het signaal dat een eiwit compleet is en er geen nieuwe aminozuren meer hoeven worden aangezet. In totaal moesten de onderzoekers meer dan 18.000 letters van het dna veranderen om hun doel te bereiken.

„Dit is een belangrijke mijlpaal voor de synthetische biologie”, zegt Robert Mans, industrieel biotechnoloog van de TU Delft in een reactie. „Wat ze hebben gedaan is op zich niet heel moeilijk, maar het is wel ongelooflijk veel werk. Je moet in alle eiwitten van de bacterie de aminozuren veranderen. Tien, twintig jaar geleden hadden we hier alleen maar van kunnen dromen, maar nu is het dankzij nieuwe genetische technieken wel gelukt. Nu liggen er spannende nieuwe gebieden open voor verder onderzoek.”

Geprikkelde fantasie

Mans fantasie over de mogelijkheden werd meteen gepikkeld na het lezen van het Science-artikel. „Als je heel gericht nieuwe aminozuren kunt inbouwen in bestaande enzymen, kun je mogelijk de eigenschappen van dat enzym verder verbeteren, doordat je op actieve plaatsen andere bouwstenen kunt gebruiken. Kortom, je kunt enzymen maken die voorheen nooit in de natuur hebben bestaan.”

Dat de bacterie kan overleven, na zo’n grondige genetische verbouwing is best bijzonder zegt Mans. „Je ziet wel dat deze minder snel groeit dan de oorspronkelijke E. coli-stam. Dat heeft mogelijk te maken met het feit dat al die synoniemen toch een biologische functie hebben. In principe verandert er door synoniemgebruik niets aan lineaire opbouw van de eiwitten, maar door verschillen in de inbouwsnelheid van dezelfde aminozuren met een verschillend codon, kan dat wel invloed hebben op de vouwing van eiwitten. Mijn vermoeden is dat Syn61 daar last van heeft.”

De grote revisie van Syn61delta3 heeft nog een belangrijke bonus: de bacterie is resistent geworden voor virussen (bacteriofagen), omdat die niet goed kunnen omgaan met de nieuwe taal die de bacterie spreekt. Virussen zijn geheel afhankelijk van de celmachinerie van de gastheercel voor het opbouwen van eiwitten. Hun genetische instructies sluiten nu niet meer aan. „Ook dat biedt een groot voordeel voor de industrie, die nu soms hele batches moeten weggooien vanwege een infectie”, zegt Mans. „De enige oplossing is nu: heel steriel werken. Maar dit zou een enorme bescherming tegen infectie bieden.”