Genetische modificatie is niet nieuw. Maar een nieuw gereedschap, CRISPR, tilt deze technologie wel naar een veel hoger niveau. Bovendien wordt genetische modificatie steeds meer geautomatiseerd. Daardoor kunnen we micro-organismen veel sneller en goedkoper dan een paar jaar geleden zó veranderen dat ze nuttige producten maken. Zegt Jack Pronk, hoogleraar in Delft.
De mensheid past al vele eeuwen biotechnologie toe, ook al wisten we lange tijd niet dat micro-organismen en enzymen betrokken zijn bij het maken van bier, wijn en kaas. Pas na de ontdekking van de structuur van DNA in 1953 kon de wetenschap gericht zoeken naar de manier waarop genen de code leveren voor het maken van enzymen. Vanaf de jaren ’70 konden onderzoekers aan genen sleutelen om die enzymen sneller en beter te laten produceren. Dat ging eerst maar moeizaam, het kostte veel geld en het was tijdrovend; maar na een aantal ontdekkingen konden we steeds beter nieuwe eigenschappen inbouwen in organismen. In de afgelopen paar jaar is genetische modificatie in een stroomversnelling terechtgekomen. CRISPR-technologie en automatisering zijn daarbij sleutelwoorden.
CRISPR, een ‘Zwitsers zakmes’
Veel ontwikkelingen gaan veel sneller dan we kunnen behappen. De samenleving heeft altijd al het gevoel dat ze hijgend achter de technologie aanhobbelt. Dat geldt zeker voor de synthetische biologie. Genetische modificatie maakt alweer veertig jaar deel uit van deze wereld, maar de snelheid en het gemak waarmee de synthetische biologie tegenwoordig veranderingen in genetische codes kan aanbrengen en zelfs geheel nieuwe stoffen kan maken, is echt verbluffend.
Dat werd kort geleden duidelijk bij een bijeenkomst in Den Haag, gezamenlijk georganiseerd door het RIVM (de controle-instantie van de overheid voor voeding en milieu) en het Rathenau Instituut (de waakhond van het parlement voor lange-termijn technologische ontwikkeling). Jack Pronk, hoogleraar industriële microbiologie aan de afdeling biotechnologie van de TUDelft, hield daar de keynote speech over de snelle ontwikkeling van de synthetische biologie, in het bijzonder over CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats voor de liefhebbers). Hij noemde de technologie een ‘Zwitsers zakmes’ voor microbiologen, hij levert alle gereedschappen die zij nodig hebben; anderen spraken over de synthetische biologie als een ‘radicale breuk met bestaande kennis’. Inmiddels begint ook de buitenwereld te beseffen hoe snel de ontwikkelingen gaan, want deze zomer publiceerde The Economist een artikel waarin de zegeningen en de bijbehorende gevaren van de nieuwe technologie breed werden uitgemeten.
Knippen en plakken
Voordat we zover waren is een lange weg afgelegd. Lange tijd verkregen we nieuwe variëteiten van planten (en dieren) doordat kwekers verschillende rassen met elkaar kruisten en met de beste resultaten verder gingen. Daarna kwam een periode waarin onderzoekers de genen in bacteriën, gisten of schimmels met behulp van UV-licht of chemische stoffen veranderden. Het ontwikkelen van nieuwe nuttige rassen langs die weg was een langdurig proces omdat de genetische veranderingen willekeurig waren, zeg maar toevalstreffers. Nuttige veranderingen moesten in een intensief selectieproces worden opgespoord en verbetering ging vaak maar met kleine stapjes tegelijk. Deze aanpak leidde bijvoorbeeld tot de verbetering van penicillineproductie met de schimmel Penicillium, een ontwikkeling binnen bedrijven als DSM die meer dan vijftig jaar besloeg.
De ‘metabolic engineering’ kon pas goed op gang komen toen we gericht konden knippen en plakken met DNA en steeds meer leerden over de genomen van micro-organismen. Maar ook dat was een lange weg, veranderingen werden meestal één voor één aangebracht. Bovendien leerden onderzoekers vaak, terwijl de veranderingen werden aangebracht, dat de micro-organismen toch net anders werkten dan ze dachten. Maar langs deze lijnen werden toch successen uit de industriële biotechnologie ontwikkeld als Sorona (1,3-propaandiol) van DuPont, en aangepaste bakkersgisten om alcohol te maken uit maisafval, ontwikkeld door DSM en TU Delft.
Een explosie van activiteit
Vanaf 2010 leverde de synthetische biologie in rap tempo een aantal aanvullingen van de genetische gereedschapskist. Zo werd het in 2010 mogelijk om tientallen verschillende DNA-moleculen op een gecontroleerde manier te assembleren. Daarbij maakten onderzoekers gebruik van homologe recombinatie, een natuurlijk proces dat in levende cellen betrokken is bij herstel van DNA-schade. En nu is er dan CRISPR, het door Jack Pronk genoemde ‘Zwitserse zakmes’, dat werkt in allerlei levende cellen, van bakkersgist tot mens. Van oorsprong is CRISPR een soort immuunsysteem dat bacteriën beschermt tegen virussen. Het bestaat uit een eiwit (Cas9) dat door een klein RNA-fragmentje heel precies naar een plek op het DNA wordt gestuurd, waar Cas9 het DNA doormidden knipt. Door Cas9 samen met verschillende RNA-fragmentjes in een cel te brengen, kunnen onderzoekers een aantal genetische modificaties tegelijk aanbrengen. Zo vertelde Jack Pronk dat CRISPR onlangs in zijn lab is gebruikt om in bakkersgist zes genen tegelijkertijd uit te schakelen en te vervangen. Dit experiment kostte een week in plaats van, zoals vroeger, vele maanden.
Automatisering is een andere revolutionaire ontwikkeling in de wereld van genetische modificatie. Robots kunnen duizenden genetisch gemodificeerde micro-organismen tegelijk maken en testen. Dit betekent een belangrijk kortere ontwikkeltijd voor nieuwe antibiotica, brandstoffen en bioplastics – wellicht geen tien jaar meer, maar minder dan vijf jaar. Al deze ontdekkingen hebben al geleid tot een explosie van activiteit in de farmacie (in de VS maakt het bedrijf Amyris duizenden nieuwe bakkersgiststammen per week, waardoor nu al op industriële schaal het krachtige malariageneesmiddel artemisinine wordt gemaakt), in de landbouw (Monsanto is volop bezig) en in de industriële biotechnologie. Zoals The Economist aangeeft zijn er ook meer twijfelachtige toepassingen. Hier en daar (China, VK) wordt, voorlopig alleen als experiment, gewerkt aan het oplossen van genetische defecten in menselijke embryo’s. Dat heeft onder onderzoekers al geleid tot een roep om een moratorium voor dit type onderzoek. Maar op terreinen als farmacie en industriële biotechnologie barst het al van de activiteiten.
The Economist 22/8-2015, ‘The age of the red pen’
Zie ook: Biowetenschappen en maatschappij, kwartaal 4-2014; synthetische biotechnologie
www.biomaatschappij.nl