Knutselen met DNA en cellen
De ethische vragen over zelf leven creëren, laten we in dit artikel rusten. Het gaat om onderzoek dat een lange adem vereist. Tussen het idee van een synthetische cel en de eerste delende bacterie met kunstmatig DNA zat vijftien jaar.
Venter legde in mei 2010 in een persconferentie uit hoe zijn team dat heeft aangepakt. De genetische code voor de kunstmatige bacterie werd eerst op de computer ontworpen op basis van de code van een bestaande bacteriestam, Mycoplasma mycoides.
Toch was het voor Venters team niet zomaar een kwestie van knippen en plakken van genen. Ze wilden het kunstmatig DNA kunnen onderscheiden van DNA uit de gastheercel. ‘We wilden absoluut voorkomen dat er een chromosoom van de gastheer zou achterblijven, waardoor wij zouden denken dat we een synthetische cel hadden gemaakt, terwijl we slechts een ‘besmette’ cel in handen hadden.’ De oplossing: watermerken toevoegen aan het DNA. De eerste kunstmatige bacterie bevatte er vier, elk meer dan duizend DNA-letters lang (basenparen in vaktaal).
In het laboratorium werden de vier bouwstenen van het DNA – adenine (A), thymine (T), guanine (G) en cytosine (C) – als kralen aaneengeregen tot lange strengen. Die strengen werden in gistcellen gecombineerd tot één chromosoom.
Daarna werd het chromosoom van de gistcellen ‘getransplanteerd’ naar een lege bacteriecel. ‘De cel verandert daarmee feitelijk in een nieuwe bacteriesoort’, aldus Venter. Hij omschreef de creatie als ‘de eerste zichzelf voortplantende soort op deze planeet waarvan een computer de ouder is’.
Venter had in 2010 een delende bacterie in handen met getransplanteerd, kunstmatig DNA. Maar zijn oorspronkelijke doel had hij nog niet bereikt: een delende cel creëren met het kleinst mogelijke genoom.
zelf leven ontwerpen
Het bereiken van die mijlpaal maakte Venters team wereldkundig in maart 2016 met een publicatie in het toptijdschrift Nature. Het kleinste bekende genoom in de natuur is dat van Mycoplasma genitalium, een microbe met 580.070 basenparen en 470 genen. Pogingen om een kunstmatig genoom hierop te baseren, liepen op niets uit. Vandaar dat het team in 2010 een bacterie in handen had met veel groter chromosoom.
Maar Venter gaf niet op. Na talloze experimenten had hij, zes jaar later, zijn doel bereikt: een delende cel met het kleinste, kunstmatige genoom. De soort met de naam JCVI-syn3.0 bevatte slechts 531.000 basenparen en 473 genen.
De onderzoekers waren daarmee geslaagd in hun poging ‘leven te reduceren tot het strikt noodzakelijke, en in het verlengde daarvan zelf leven te ontwerpen’, stelde Nature in een begeleidend nieuwsbericht.
Vakgenoten erkennen dat Venters werk een technisch hoogstandje is. ‘Het idee dat we hele genomen kunnen bouwen, is een van de dromen en beloften van de synthetische biologie’, zei Paul Freemont, synthetisch bioloog aan Imperial College Londen, in een reactie.
Tegelijkertijd twijfelen collega’s aan het praktisch nut ervan. Ze wijzen erop dat je helemaal geen bacteriegenoom hoeft te ontwerpen als je eigenschappen aan bacteriën wil toevoegen. Venter ziet ze bijvoorbeeld in de toekomst vaccineiwitten produceren of alternatieven voor benzine en diesel. Met de bestaande gen-editingtechnieken kun je zulke aanpassingen ook doen, en het kost veel minder moeite, stellen collega-onderzoekers in Nature. Venter brengt daartegen in dat zulke technieken niet volstaan ‘als je echt iets nieuws wilt creëren en leven probeert te ontwerpen.’
Onderzoekers van de TU Delft zijn betrokken bij een project dat nóg ambitieuzer is dan dat van Venter, omdat ze niet willen beginnen met een lege, bestaande bacteriecel. Ze willen een volledig door de mens gebouwde cel creëren die zichzelf in stand kan houden en zich kan voortplanten.
De Delftse onderzoekers zijn een stap dichter bij dat doel gekomen, zo meldden ze eind oktober in het vakblad Nature Communications. Ze zijn er namelijk in geslaagd in het lab een mechanisme na te maken dat essentieel is voor de celdeling van bacteriën.
Celdeling is een complex proces, zelfs in relatief eenvoudige organismen zoals bacteriën, schrijven de onderzoekers van de TU Delft in een persbericht naar aanleiding van de wetenschappelijke publicatie. Eerst wordt het DNA in de bacteriële cel gekopieerd. Vervolgens worden de DNA-kopieën van elkaar gescheiden en door eiwitten naar tegenovergestelde uiteinden van de cel gebracht. Daarna vormt zich in het midden van de cel een ring. Deze zogeheten ‘Z-ring’ knijpt samen op het moment dat de cel klaar is om te delen, waardoor twee dochtercellen ontstaan.
De eiwitten die de Z-ring vormen, doen dat altijd netjes in het midden van de cel. Hoe ze weten waar het midden is?
Daarvoor gebruikt de cel weer drie andere eiwitten: MinC, MinD en MinE. Samen vormen ze het ‘Min-systeem’.
Een groep Delftse onderzoeker is er nu in geslaagd om het Min-systeem na te bouwen in vetblaasjes, zogeheten ‘liposomen’. De drie Min-eiwitten ontstaan uit drie genen, één gen per eiwit. ‘Maar het is niet genoeg om het DNA van deze drie genen in een liposoom te stoppen’, aldus hoofdonderzoeker Elisa Godino. ‘Je moet van elk eiwit een bepaalde hoeveelheid hebben en de eiwitten functioneren alleen onder de juiste omstandigheden. In het finetunen van die omstandigheden is veel tijd en onderzoek gaan zitten.’
Maar uiteindelijk lukte het om het Min-systeem aan de praat te krijgen in een vetblaasje. De volgende stap: het nabouwen van het mechanisme dat de Z-ring vormt en een cel in tweeën knipt. ‘We hebben al bevestigd dat het door ons gebouwde Min-systeem goed samenwerkt met de kernelementen van de Z-ring’, zegt Godino.
Het koppelen van de twee celdelingsmechanismen zal ook weer allerlei uitdagingen met zich meebrengen, verwachten de onderzoekers. Maar, zo stellen ze, stapje voor stapje komt de synthetische cel dichterbij. ‘Leven’ gecreëerd door de scheppende mens.