In de priembewerking worden stukjes DNA streng voor streng vervangen (afb: Nature)

Ook in dit blog ligt de nadruk bij genoom-bewerking vooral op geneeskundige toepassingen, maar dat betekent niet dat die op andere terreinen niet belangrijk is of kan worden. Als we het wetenschapsblad Nature mogen geloven (en waarom niet?) grijpen steeds meer landbouwbiologen naar die methoden om landbouwgewassen aan te passen, maar dat blijkt niet zonder problemen. Er zijn nog heel wat hobbels te nemen om landbouwgewassen genetisch zo te veranderen dat ze de honger en de ondervoeding in de wereld tot het verleden verbannen (of gaat het daar niet om?; as).
Landbouwgewassen worden al sinds mensenheugenis aangepast aan de wensen van de mens, maar met de beschikbaarheid van middelen om het genoom te bewerken zouden we, in theorie, die gewassen ‘op maat’ kunnen maken als we kijken naar productiviteit, maar ook naar aantrekkelijkheid voor de verbruiker. Zo hebben onderzoeksters rond de Chinese biologe Caixia Gao wat dingetjes in het genoom van een aardbeiplant veranderd om de vrucht lekker zoet te maken. Gao: “We hebben het suikergehalte verhoogd van 20 naar 41 mg/g en er zijn zoveel verschillende niveaus om te veranderen.”
Gao is een van de steeds groeiende groep onderzoeksters die genoombewerking gebruiken voor het verbeteren (?) van landbouwgewassen. Met genoombewerking krijgen de onderzoeksters meer greep op die verbetering dan ze hadden met de aloude technieken als kruising en selectie, zoals die eeuwenlang in de landbouw gewoonte waren.
Zo zou je het genoom van een planten kunnen verrijken (?) met een paar genen van een andere plant, maar daarmee kom je op het terrein van de genetische gemanipuleerde organismen, waar Europeanen, anders dan Amerikanen, niet zo gek op zijn. Planten waarvan het genoom is aangepast zouden niet in de categorie vallen. “Het gaat om kleine veranderingen in de eigen genen van een plant”, stelt Jiang-Kang Zhu van het instituut voor plantenstress in Sjanghai.

De eerste planten waarvan het genoom op nucleotideniveau is aangepast (een nucleotide of base is de bouwsteen van DNA) zouden de komende jaren al op de markt kunnen verschijnen, stelt Zhu, maar het zal wel wat langer duren alvorens onderzoeksters gewassen zo kunnen aanpakken dat we de behoeften van een groeiende wereldbevolking ‘genetisch’ kunnen bijhouden.
Zoals trouwe lezers van dit blog al weten is de nu meest gehanteerde bewerkingmethode, CRISPR/Cas9, wel efficiënt maar niet erg nauwkeurig en dat is een probleem als je de functie van een gen wilt veranderen in plaats van die, bijvoorbeeld, uit te schakelen, zoals bij het veranderen van het suikergehalte van aardbeien.

Puntmutaties

In 2016 slaagden David Liu van de Harvarduniversiteit en collega’s er in het genoom op baseniveau te bewerken. Dat werd gedaan bij zoogdiercellen, maar bleek ook te werken bij planten met wat kleine veranderingen om de efficiëntie en nauwkeurigheid te vergroten.
Er zijn sedert 2016 heel wat van die basebewerkers ontwikkeld. In 2019 gebruikten Franse onderzoeksters een cytosinebasebewerker (cytosine is de C in het DNA-‘alfabet’) om een base te vervangen in een gen dat codeert voor een eiwit dat helpt om boodschapper-RNA (een ‘afdruk’ van een gen op DNA) om te zetten in het bijbehorende eiwit: eIF4E1. Dat gen wordt ook gebruikt door virussen voor hun eigen replicatie”, zegt Fabien Nogué van INRAE in Versailles (F). De aanpassing van zo’n puntmutatie was voldoende om een plant, de in onderzoekkringen welbekende zandraket, ongevoelig te maken voor een bepaald plantenvirus.

Gerichte evolutie

Het ‘veredelen’ van planten is natuurlijk een manier om de evolutie in de voor de mens voordelige richten te duwen, maar met genoombewerkingen kan dat een stuk sneller. Je kunt kijken wat kleine veranderingen in genen teweegbrengen. Zo hebben Gao en haar collega’s in 2020 een cytosine- en adeninebasebewerker gecombineerd om verschillende varianten (mutaties) van rijstgenen te maken om ze ongevoelig te maken voor bepaalde onkruidbestrijders. Gao: “Het domein (op DNA en dus ook in de bijbehorende eiwitten; as) in kwestie omvatte 400 aminozuren en we ontwierpen 200 RNA-moleculen om dat domein af te dekken. Vervolgens keken we welke variant ongevoelig was voor de herbicide.” Die ongevoeligheid voor het bestrijdingsmiddel zou geen gevolgen hebben gehad voor de gezondheid van de plant.
Toch is de reikwijdte van basebewerking beperkt. Slechts vier van de twaalf mogelijke basepaarcombinaties (??; as) zijn betrouwbaar te veranderen, stelt Nature. Zo zijn er basebewerkers om van een C een G te maken, maar die lijken niet erg goed te werken. Daar zou nog wel het een en ander aan moeten verbeteren om bruikbaar te worden.
Basebewerking is ook niet geschikt om aanzienlijke veranderingen aan genen aan te brengen. Dat kan wel met CRISPR/Cas9, maar die methode blijkt minder efficiënt bij planten. “In het beste geval heb je een efficiëntie van 5%”, stelt Holger Puchta van het technologisch instituut van Karlsruhe (KIT)

Een alternatief is de zogeheten priembewerking die (mede?) is ontwikkeld door onderzoekers rond Liu. Bij die techniek wordt een aangepast Cas9-molecuul (de ‘genschaar’) gebruikt dat niet beide DNA-strengen doorknipt maar slechts een van beide. De genschaar is in deze techniek gekoppeld aan het enzym (een ‘omgekeerde’ transcriptase) in plaats van een enzym dat de nucleotide verandert. Bij de priemtechniek wordt ook speciaal gids-RNA-molecuul (pegRNA) gebruikt dat het CRISPR-gereedschap niet alleen op de juiste plek op het DNA aflevert maar ook een sjabloonqeuentie meebrengt en een priembindingssequentie. Die sjabloonsequentie bevat informatie over het stukje DNA dat daar ter plekken moet worden ingevoegd. Met die techniek kun je elke DNA-bouwsteen veranderen, maar ook langere stukken DNA vervangen.
Daarmee is de CRISPR-gereedschapskist voor de plantenbioloog aanzienlijk uitgebreid. “Hoe eenvoudiger de verandering”, zegt Nogué, “hoe makkelijker het voor een virus wordt die te omzeilen.” Hij gebruikt de priembewerking om onder meer ziektebestendigheid van aardappels te verbeteren. “Met verschillende aminozuurveranderingen werkt dat beter en voor langere tijd.”

‘Dwarsliggers’

Op papier lijkt genoombewerking ‘simpel’ maar is het allesbehalve. Er zijn nog heel wat drempels te overwinnen. Een belangrijke ‘dwarsligger’ is het CRISPR-gereedschap in de plantencellen te krijgen. Daar wordt door plantenbiologen vaak de bodembacterie Agrobacterium tumefaciens voor gebruikt. Die besmet planten met plasmiden (DNA-ringen) die coderen voor Cas9 en de benodigde RNA-moleculen. Die moeten in de plantencellen terecht komen. Het vervelende is dat die toegevoegde DNA-sequenties ook in het plantengenoom terecht kunnen komen en dat is niet de bedoeling (geen vreemd DNA in het plantengenoom). Er zouden ook ongewenste mutaties kunnen ontstaan doordat de verschillende ‘gereedschappen’ uit de CRISPR-kist te lang worden aangemaakt.

Er zijn andere methodes om het CRISPR-gereedschap aan de plantencellen af te leveren. Plantencellen hebben anders dan zoogdiercellen een celwand en een celmembraan (zoogdiercellen alleen een celmembraan). Je zou plantencellen van die celwand kunnen ontdoen en dan wordt de ‘aflevering’ makkelijker. Ook zou het gereedschap de cellen van, bijvoorbeeld, plantenembryo’s naar binnen kunnen worden ‘geschoten’ door kleine projectielen te laden met het CRISPR-gereedschap zoals Cas9. In beide gevallen zou de bewerking van het DNA slechts tijdelijk zijn alvorens het CRISPR-gereedschap wordt ‘ontmanteld’.
Uit die plantencellen met aangepast genoom moet je dan weer een heel volwaardige plant zien te maken. Dat blijkt ook niet eenvoudig. Zhu: “Er zijn in de natuur zo’n 370 000 hogere plantensoorten, maar die transformatie lukt maar bij een stuk of tien.” De hoop is dat dat kan veranderen door de ontwikkeling van nieuwe technieken zoals de overexpressie (=het actiever maken) van genen die coderen voor eiwitten die de groei regelen. Ook is nog lang niet alles bekend over de biologie van planten. Nogué: “Zonder die kennis van die genen en zonder te weten hoe het mechanisme in elkaar zit bij een bepaalde eigenschap zijn deze gereedschappen totaal nutteloos.”

Dat schijnt echter de activiteit op dit terrein niet echt te hinderen. Zo wordt er gewerkt aan pitloze kersen, zoetere aardbeien (dus), maar dat klinkt toch meer als frutsels voor de verwende consument maar niet als zaken die wezenlijk zijn voor het oplossen van een groot probleem als ondervoeding en honger in grote delen van de wereld. Hoezo grote veranderingen?

Bron: Nature