Hoe ‘programmeer’ je levende cellen?

Wilson Wong en zijn gereedschapskist voor genschakelingen

Wilson Wong

Hoe cellen zich gedragen heeft alles te maken met welke genen in welke mate actief zijn. Door aan de ‘knoppen’ te draaien die de genexpressie sturen kun je een cel (her)programmeren. Onderzoekers in de VS rond Wilson Wong zouden nu een vereenvoudigde methode gevonden hebben om met behulp van knip-en-plak-enzymen (recombinases) zoogdiercellen snel en efficiënt om te zetten in wat synbiologen ‘genschakelingen’ of ‘gencircuits’ noemen. De analogie met elektronica is niet toevallig. Lees verder

Zoogdiercellen gebruikt voor ‘DNA-computer’

DNA-recombinase

DNA-recombinases herkennen ‘hun’ stukje DNA, knippen dat er uit en hechten de ‘wond’ weer

DNA intrigeert, ook de computerbouwers zijn geïnteresseerd. DNA zou het perfecte materiaal zijn om langdurig veel gegevens op te slaan, maar met DNA zou ook te rekenen zijn. Nu schijnen onderzoekers zoogdiercellen genetisch te hebben aangepast met als doel het DNA complexe taken te laten uitvoeren. Let wel: die uiterst competente ‘DNA-computer’ is er nog niet. Hun ‘DNA-computer’ kan wel Booleaanse operaties uitvoeren, maar ze denken hun nieuwe programmeringstechnieken toch vooral te gebruiken voor de verbetering van behandelmethoden: van kankertherapieën tot het aanmaken van nieuwe weefsel. Lees verder

Genschakeling te gebruiken voor behandeling ziektes

Genschakeling waterstofperoxide.

Een genschakeling die reageert op twee concentraties waterstofperoxide (afb: Nature Communications)

Levende cellen zouden in staat zijn om berekeningen te maken op basis van signalen die ze uit de omgeving krijgen. Die berekeningen kunnen continu zijn, zoals de overgang in lichtschakeringen, of digitaal zoals de beslissing te sterven. Synbiosystemen zijn meestal of analoog/continu of digitaal, waardoor de mogelijkheden beperkt worden. Onderzoekers van het MIT in Cambridge (VS) hebben nu een techniek ontwikkeld om analoog en digitale berekeningen te koppelen door genschakelingen te vormen die in levende cellen in staat zijn tot verwerkingsoperaties. Die circuits kunnen het niveau van een analoge bron meten, bijvoorbeeld de concentratie van een bepaalde verbinding, zoals een medicijn, die van belang is voor een ziekte en ‘beslissen’ of die voldoende is voor het beoogde effect. Je zou het een verfijning van de gedoseerde medicijnafgifte kunnen noemen. Daarbij houden de mogelijke toepassingen echter niet op.
Lees verder

DNA programmeren met Cello

DNA programmeren als elektronische schakelingen

Uiteindelijk rolt er uit de computer een DNA-sequentie, die vervolgens gesynthetiseerd en in het DNA van een bacterie wordt ingebracht (afb: beeld Youtubefilmpje ibiology.org)

Het doel van synthetische biologie is synthetisch leven te ontwerpen. Waartoe is hier even niet van belang. Nu is dat vooral en kwestie van proberen (en van je missers leren. Het lijkt er op dat die ‘amateuristische’ aanpak wat zal worden gestroomlijnd. Onderzoekers van, onder meer, het MIT in Cambridge (VS) hebben het programma Cello ontwikkeld waarmee DNA zou zijn te programmeren, een beetje alsof je computerprogramma’s schrijft. “We hebben voor dezelfde aanpak gekozen als bij het ontwerpen van de chip”, zegt MIT-onderzoeker Chris Voigt. “Elke stap in het proces is hetzelfde, maar in plaats van met silicium werk je met DNA.” Lees verder

Met synthetisch gen en magneten gedrag veranderd

zebravisjes

Zebravisjes met dat synthetische gen dansten in een magnetisch veld

Je zou bijna zeggen: het spel is op de wagen, synthetische biologie gaat (veel) verder dan het wat genetisch bijschaven van micro-organismen. Onderzoekers van de universiteit van Virginia in de VS hebben muizen en vissen opgezadeld met een synthetisch gen, dat met behulp van (uitwendige) magneetvelden te manipuleren is. De onderzoekers hebben het dan over het behandelen van hersenziektes als Parkinson en schizofrenie, maar ik denk dan toch aan heel andere dingen: manipuleren van levende wezens met behulp van, in dit geval, magneetvelden. Het verhaal zou in Nature Neuroscience zijn verschenen, maar ik kan het daar niet vinden Lees verder

Genen op afstand sturen via radiogolven

Genen sturen via ferritine en ionkanaal

Een niet erg duidelijk plaatje van ferritine (blauw) dat via een eiwit (groen) is gekoppeld aan het ionkanaal (rood). (afb: Rockefeller-universiteit)

Genen op afstand besturen zonder draden, implantaten of chemicaliën, voor onderzoekers lijkt dat ideaal. Onderzoekers van, onder meer, de Amerikaanse Rockefeller-universiteit hebben met behulp van elektromagnetische golven en magneetvelden bij muizen de productie van insulineproducerende cellen ‘aangezet’. Daartoe koppelden ze een natuurlijk ijzerhoudend eiwit, ferritine, aan een ionkanaal dat door warmte wordt geactiveerd.
Lees verder

Modulaire genschakeling maakt complexe processen mogelijk

Genschakelingen

Tot vier geprogrammeerde transcriptiefactoren (de gekleurde viertallen) werken samen om de expressie van een gen te regelen. De ’target’ is het te sturen gen. (afb: ACS Synthetic Biology)

Synthetische biologie is ook (deels) een verlengstuk voor scheikunde: gebruik die ingewikkelde scheikunde van het leven om op een soepele manier allerlei begeerde verbindingen te maken zoals biobrandstoffen of voor het opsporen en vernietigen van tumoren.  Onderzoekers van de Amerikaanse Rice-universiteit en de universiteit van Kansas hebben genetische circuits gemaakt, die door het uitwisselen van ‘bouwstenen’ complexe taken kunnen uitvoeren. Voor die ‘circuits’ is genetisch materiaal van verschillende bacteriën gebruikt. Deze nieuwe tak van wetenschap/technologie wordt wel biologica genoemd.
Lees verder

Biologische ‘radio’ gebouwd

Genetische schakelingen

Onafhankelijke genschakelingen binnen cellen die met elkaar verbonden zijn via signaalmoleculen (de ‘bedrading’) (foto: univ. van Californië)

Het klinkt allemaal een beetje eigenaardig. Onderzoekers van de universiteit van Californië San Diego zouden een genetisch circuit hebben geconstrueerd dat fungeert als FM-radio, met schakelaars, logische poorten en oscillatoren. De diepere gedachte is natuurlijk dat je genetische ‘schakelingen’ kan gebruiken om iets in levende systemen te bewerkstelligen dat (nog) ingewikkelder is dan het aan- of uitzetten van genen of het toevoegen of wegknippen van genen. Lees verder

Onderzoekers bouwen genetische ‘klok’ die op tijd loopt

Amerikaanse onderzoekers hebben in de bekende lab-bacterie Escherichia coli, beter bekend als E. coli, een genetische klok ingebouwd die zich niet in de war laat brengen door wisselende temperaturen. Genetische systemen zijn uiterst fijne raderwerken, die zich aanpassen aan de temperatuur, uur van de dag en nog vele andere factoren. Toch is een vaste biologische klok belangrijk voor het organisme, maar hoe bouwt de natuur dat met zijn temperatuurafhankelijke biochemie? De onderzoekers hebben nu, met de bouw van een temperatuurbestendige klok, laten zien hoe dat kan.
Lees verder

Is genie genetisch vastgelegd?

Je zou zeggen van wel: slimme ouders hebben door de bank slimme kinderen, althans kinderen die het in het schoolsysteem ver schoppen. Want wat is slim eigenlijk? Dat je een hoog IQ hebt, maar wat zegt dat weer? Eigenlijk niet zo heel veel, maar in onze maatschappij wordt een hoog IQ hoog aangeslagen.
In China woont een slim ventje, Bowen Zhao. De lastige programmeertaal perl had hij in een paar dagen onder de knie, waar anderen een jaar over doen. Ook andere hersenkrakers had de toen 17-jarige Zhao opgelost in een fractie van de tijd die een normaal mens daarvoor gebruikt. Om een lang verhaal kort te maken: Zhao houdt zich nu als 21-jarige bij het befaamde Chinese genetica-instituut BGI met een miljoenen dollars kostend onderzoeksprogramma bezig dat de genetische wortels van intelligentie  moet blootleggen. Tot op zekere hoogte kun je aan je slimheid (in de zin van het oplossen van voorgelegde vraagstukken) schaven, maar daar zitten duidelijke grenzen aan. Iemand die problemen op de basisschool heeft met rekenen zal niet zo gauw hoogleraar wiskunde worden.

Bowen Zhao in de lift van BGI in Peking (foto Wired)

Bowen Zhao in de lift van BGI in Peking (foto Wired)

Of we het nu leuk vinden of niet, er zal een dag komen waarop een ouderpaar, enthousiast gemaakt door de jongste ontwikkelingen op het gebied van synthetische biologie, een kind wil krijgen dat niet alleen slim is, maar ook atletisch en, als het even kan, mooi (wat dat dan ook moge zijn). De maakbare mens of misschien wel de Mens-2.0 is in aantocht.
Er is nu al aardig wat maakbaar, maar de mogelijkheden daartoe zullen in de nabije (?) toekomst steeds verder toenemen. We zeuren nu over doping in de atletiek of bij het wielrennen, maar wat gaan we doen als we door genetische manipulatie superatleten maken die makkelijk 12 m ver springen of 3,5 m hoog? Krijgen we dan een aparte olympiade voor ‘normale’ (ongemanipuleerde) mensen? En we hebben meer voor het kiezen: lengte, fysiek, geestelijke gezondheid én slimheid.
De opzet van het oderzoek van Zhao is simpel: neem het DNA van een paar duizend intelligente mensen en vergelijk dat met dat van ‘normale’ mensen en zie, daar liggen de erfelijke wortels van intelligentie. Slimheid testen we met behulp van de IQ-test. Helaas was er geen Chinese IQ-test. Het ging helemaal fout toen leerlingen van de Chinese eliteuniversiteit Remnin de studenten een Engelstalige test lieten doen. Dat liep op een kleine ramp uit. De relatie met Remnin werd op sterk water gezet.
De zon begon weer voor hem te schijnen toen Zhao eind 2010 in contact kwam met Steve Hsu, een hoogleraar natuurkunde van de staatsuniversiteit van Oregon die een sabbatsjaar op Taiwan doorbracht. Hsu raakte geïnteresseerd door een artikel in een nieuwsbrief van het BGI over het project en is sedertdien raadgever en medewerker van Zhao.
Er is natuurlijk al langer gezocht naar de erfelijke wortels van intelligentie. Die is nooit gevonden. Volgens Hsu komt dat doordat intelligentie niet is verbonden met één gen of een paar genen maar met iets als 10 000 verschillende locaties op het DNA. Elke mens heeft er een paar honderd van de mogelijke 10 000 mutaties, elk met een negatief effect op het IQ. Intelligentie als een aftreksom. Iets soortgelijks schijnt zich ook voor te doen bij lichaamslengte. In grote lijnen wordt de theorie van Hsu door genetici aanvaardbaar geacht.

Om die 10 000 mogelijke DNA-varianten aan te kunnen wijzen is er een associatie-onderoek van het hele genoom nodig: vind de varianten die geassocieerd zijn met de eigenschap (intelligentie, in dit geval). Voor zo’n onderzoek heb je echter veel meer dan een paar duizend genomen nodig. Een recent Nederlands onderzoek naar drie varianten die bepalend zijn voor leerprestaties, een indicator voor het IQ, vergde onderzoek onder 125 000 genomen. Voor het onderzoek van Zhao en Hsu zijn wel 1 miljoen of meer genomen nodig. Dat hoeven niet allemaal heel slimme mensen te zijn, want je kunt ook de ‘misdrukken’ nemen in het genoom die de intelligentie drukken en die komen bij ‘normale’ mensen meer voor dan bij ‘slimme’. Vóór al die genomen zijn afgelezen en de conclusies zijn getrokken zijn we wel een jaar of vijf verder.
Als Zhao en Hsu slagen in hun opzet dan kunnen we, bij reageerbuisbevruchting, voor een pijnlijke keus komen te staan: kiezen we voor het embryo met de beste hersens? Hsu ziet dat niet als Faustiaanse nachtmerrie maar als een zegen voor de mensheid. Je kunt die intelligentie dan via genmanipulatie zelfs nog eens een handje helpen. Hij verwacht dat een land als Singapore de eerste zal zijn die deze techniek zal omarmen.
Komt het zo ver? Heeft Hsu het bij het rechte eind? Misschien is de wisselwerking tussen genen veel ingewikkelder dan we nu (denken te) weten. Zhao is echter overtuigd: “Menselijke intelligentie is vastgelegd in de genen en iemand zal er ooit achter komen hoe.”

Bron: Wired