Een zelfgebouwd genoom

Prof.dr. Arnold Driessen
Hoogleraar Moleculaire Microbiologie
Rijksuniversiteit Groningen

1. Wat is de belangrijkste wetenschappelijke ontwikkeling in uw vakgebied?

De belangrijkste wetenschappelijke ontwikkeling in recent jaren op het gebied van de synthetische biologie is een technologische vernieuwing waardoor het nu mogelijk is zeer grote stukken erfelijk materiaal (DNA) en zelfs een compleet bacteriële genoom chemisch te synthetiseren en dit vervolgens over te planten in een levende organismen (bacteriën) dat levensvatbaar blijkt. Dit is het best te illustreren aan de hand van het onderzoek van de Amerikaan Greg Venter dat verschenen is in het tijdschrift Science in 2010 (Gibson et al., 2010, Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome, Science 329:52-6). Deze vinding is slechts het begin van een nieuwe ‘era’ omdat het ongekende mogelijkheden bied voor het herprogrammeren van micro-organismen en daarnaast nieuwe inzichten zal gaan geven hoe genomen zijn opgebouwd en wat de rol is van ‘niet-coderende’ delen van een genoom; delen die ogenschijnlijk geen informatie lijken te bevatten.

2. Op welke wetenschappelijke doorbraak hoopt u?

De vinding van Venter behelst vooralsnog een nagebootst genoom dus het is nog niet te typeren als een nieuwe vorm van leven. Echter de methodiek van de complete chemische synthese van bacteriële genomen bied nu zicht op een aantal nieuwe innovaties. Alle eiwitten in levende organisme zijn samengesteld uit verschillende combinaties van 20 bouwstenen (aminozuren). De informatie in het erfelijke materiaal, het DNA, wordt via een tussenproduct (RNA) gedecodeerd door het ribosoom. Het ribosoom leest als het ware de informatie (de base volgorde in het RNA waarbij een opvolgende set van drie basen een codon vormt wat codeert voor een type aminozuur) uit dat bepaald in welke volgorde de aminozuren aan elkaar geknoopt moeten worden waardoor er uiteindelijk een uniek eiwit ontstaat. Dit is wat we de genetische code noemen. Voor bepaalde aminozuren is er een uniek codon (een drie-base motief) terwijl er voor andere aminozuren meerdere optionele codons bestaan. Doordat we nu bacteriële genoom chemisch kunnen synthetiseren is het nu mogelijk om de overtollige codons te verwijderen en daarmee additionele genetische code vrij te maken. Door deze ongebruikte codons te koppelen aan de herkenning van onnatuurlijke bouwstenen wordt het mogelijk om met behulp van een levende cel unieke eiwitten aan te maken die samengesteld zijn uit meer bouwstenen dan de 20 waarop het leven zoals we dan kennen gebaseerd is. Een andere benadering die in het veld wordt gevolgd is de ontwikkeling van synthetisch leven dat niet langer gebaseerd is op het decoderen van typische codons bestaande uit drie basen, maar vier base codons! Deze al deels succesvolle experimentele benadering houdt op termijn in dat een aanzienlijke uitbreiding van de genetische code wordt gerealiseerd en dit zal van grote invloed zijn op de wijze waarop we in de toekomst onderzoek aan eiwitten zullen uitvoeren als wel de mogelijkheid bieden micro-organismen te gebruiken om synthetische eiwitten te gaan maken

3. Wat is de waarde van uw vakgebied voor de samenleving?

Het vakgebied van de synthetische biologie is sterk verwant aan de biotechnologie en de engineering van micro-organismen om op effectieve wijze nuttige producten te maken zoals antibiotica, enzymen, therapeutische eiwitten, biobrandstoffen, polymeren enz. De synthetische biologie benadering wordt nu dan ook snel opgepakt door zowel wetenschappers als wel de biotechnologie en farmaceutische industrie die al of niet samenwerken in publiek-private netwerken. Middels de nieuwe grootschalige DNA-handelingen is het nu mogelijk om in korte tijd een zeer groot aantal variaties in genetisch materiaal te testen bij het construeren van nieuwe biosynthese routes zodat er sneller succes kan worden geboekt. Dit is van belang voor onze huidige samenleving en die van de toekomst. De materialen en brandstoffen die we in de toekomst zullen gebruiken zullen niet langer gebaseerd zijn op fossiele grondstoffen maar op biologische hernieuwbare grondstoffen, de zogenaamde biobased-economy. Hiervoor is het nodig alternatieve biologische routes te ontwikkelen voor de productie van de belangrijke bouwstenen waar onze huidige materialen gebaseerd zijn. Dit betreft deels natuurlijke bouwstenen maar veelal gaat het om chemische bouwstenen waarvoor nog geen natuurlijke route bestaat zoals bijvoorbeeld plastics. Ook wordt er gedacht aan de ontwikkeling van micro-organismen die buitengewoon effectief in het opruimen van verontreinigde grond of oppervlaktewateren; die in staat zijn zeer complexe biologische moleculen te maken zoals de actieve stoffen uit planten met medicinale werking (een goed voorbeeld is het antimalaria medicijn artemisinin) die tot op heden slecht doormiddel van complexe en dure extractietechnieken uit planten kunnen worden geïsoleerd. Een ander voorbeeld is de complexe chemische syntheseroutes zoals benodigd voor de productie van bepaalde antibiotica of virale middelen volledig op biologische wijze te laten verlopen, en de ontwikkeling van micro-organismen die in staat zijn afvalstromen op effectieve wijze om te zetten tot biobrandstoffen. Dit worden onder meer de grote uitdagingen voor de synthetische biologie in de toekomst.


Andere bijdragen in Biologie, DNA, Leven maken