Zo kan zo’n gereprogrammeerde Escherichia coli er uit zien (afb: Chris Bickel)

Kijk, in principe is het allemaal niet zo geweldig lastig. Je pakt een bacteriegenoom, dat veel simpeler is dan van eukaryote cellen zoals die van mensen, en je knipt en plakt er op los. Ik neem aan dat de onderzoekers rond George Church bij het verbouwen van DNA van een Escherichia coli-bacterie met meer overleg te werk zijn gegaan, want het volledige nieuwe beestje is immuun voor virussen en kan coderen voor vier niet-natuurlijke eiwitten.
Dat beestje, 57-codon E. coli de farmaceutische en andere industrieën miljarden besparen, heet het, maar gaat toch meer over de greep die de mens inmiddels heeft gekregen op het genoom. De nieuwe, veilige bacterie zou voor allerlei industriële doeleinden kunnen worden gebruikt en ook eiwitten kunnen produceren die in de natuur niet bestaan. Dit is pas het begin. Wanneer is de mens aan de beurt?

De genetische informatie in die gehercodeerde organismes zou niet meer in staat zijn natuurlijke cellen te vervuilen omdat door de genoomverandering de bacterie geen delen van zijn genoom meer kan uitwisselen met zijn gastheer. In het lab gefabriceerde cellen zouden zo geen gevaar opleveren om genetisch allerlei rare fratsen uit te halen in de natuur.
In basis bestaat de DNA-code uit codons: drie nucleotiden die coderen voor een aminozuren, de bouwstenen van de eiwitten. Daarnaast zijn er drie stopcodons en is er een startcodon, om aan te geven waar het ribosoom moet beginnen met het aflezen van boodschapper-RNA en waar te stoppen.
Eerder was al bewezen dat je zonder al te veel problemen codons kan uitwisselen bij het E. coli-gemoom. Georg Church en Nili Ostrov c.s. onderzochten of het ook mogelijk is meer codons te verplaatsen over het gehele genoom. Met vier basen (A, C, G en U) kun je dan 64 verschillende codons maken (4³). De onderzoekers verminderden het aantal codons tot 57 door op 60 000 plaatsen in de bacterie-DNA die zeven codons te verwijderen. Die werden daar vervangen door een van de andere 57 codons.
De meeste (91%) essentiële genen werkten normaal. Dat kan prima want die 64 codons coderen voor 20 aminozuren waaruit eiwitten bestaan, dus er is wat rek. Deze 57-codon-E. coli is niet volledig functioneel, maar het zou voor het eerst zijn dat een genoomverandering op zo’n grote schaal is uitgeprobeerd. De volgende stap is een volledig gehercodeerde bacterie te fabrieken.

Veiligheidsklep

Normale eiwitten bestaan uit, zoals gezegd, op zijn hoogst 20 verschillende aminozuren. De gehercodeerde E. coli heeft 24 aminozuren tot zijn beschikking. Naast dat de nieuwe bacterie, in principe, immuun is voor virussen en geen DNA-brokken zou kunnen uitwisselen met andere cellen, vormen die vier synthetische aminozuren een derde veiligheidsklep. Het genetische gereprogrammeerde beestje  overleeft alleen als dat tenminste een van die vier aminozuren te eten krijgt. Church: “Bioveiligheid is onze eerste prioriteit.”

Uiteindelijk wil Church boerderijdieren maar ook menselijke stamcellen maken die bestand zijn tegen alle virussen, dus dus ook tegen het ebola-,  hi- en zika-virus. Zulke cellen zouden dan gebruikt moeten worden om vaccins te produceren en voor transplantatie. Volgens Church is het erg lastig om mensen en dus waarschijnlijk ook boerderijdieren te creëren (daar gaan we) die niet bevattelijk zijn voor virussen, veroudering of kanker, maar we zouden weefsels en organen kunen maken die die eigenschappen wel hebben.

Zo ongeveer reprogrammeer je een stopcodon om tot een codon dat codeert voor een niet-natuurlijk aminozuur (afb: N.Scientist)

In het Britse populairwetenschappelijke blad New Scientist staat een wat halfbakken uitleg hoe de onderzoekers bepaalde codons zover hebben gekregen te coderen voor niet-natuurlijke aminozuren. Daar word je niet veel wijzer van, maar in een artikel uit 2013 in dat blad is de uitleg een stuk duidelijker. Aan een codon zit een molecuulgroep (RF1), die, in dit voorbeeld, de functie van het codon (in dit geval een stopcodon) bepaalt. Als je RF1 nu van dat stopcodon haalt en je bouwt er een stukje tRNA in, dan codeert dat voormalige stopcodon voor dat niet-natuurlijke aminozuur. Een kind kan de was doen.
Vorig jaar lieten de onderzoekers zien dat dat omgeprogrammeerde stopcodon TAG kan coderen voor elk niet-natuurlijke aminozuur. Ze veranderden de genen zo dat essentiële eiwitten alleen werken als er een van die niet-natuurlijke aminozuren in worden opgenomen, de al eerder genoemde ‘veiligheidsklep’.

Ambitieus

Het huidige project van Church is nog ambitieuzer. Er worden zeven codons verwijderd en dat doe je niet met genbewerkingsmethodes zoals CRISPR/Cas9. In plaats daarvan ontwierpen ze het nieuw te maken genoom op een computer en maakten vervolgens stukjes DNA die zo’n 2000 DNA-letters lang zijn (A, C, G en T). Die stukjes werden aan elkaar geplakt om 87 segmenten te maken van 50 000 DNA-letters. De laatste stap is dan al die stukken aan elkaar te plakken. Een E. coli-genoom bestaat uit ongeveer 4 miljoen letters (het menselijk genoom is zo’n 1500 keer groter). Dat nieuwe genoom schuif je dan in een bacterie en je haalt het eigen genoom er uit. Simpel toch?

Het veranderen van codons kan dodelijk zijn. Toch liepen de onderzoekers tegen maar 13 dodelijke ‘misdrukken’ op in 2200 genen die tot nu toe gecontroleerd zijn (van de ongeveer 4600). Die fouten zijn eruit gehaald. Dan zijn de genomen van eukaryote cellen (cellen met kern zoals de menselijke) nog een eind weg. Toch wil Church achter geld aan, zond 100 miljoen dollar, om het menselijk genoom van nul af op te bouwen. Wanneer en vooral hoe komen mensen uit een fabriek? Ik vraag maar.

Bron: New Scientist, Science Daily