Sinds we van jagers landbouwers zijn geworden, proberen we selectief planten te veredelen om van genoeg en goed voedsel verzekerd te zijn. De mogelijkheden om gericht aan de plantengenomen te sleutelen zijn de laatste decennia sterk toegenomen. Het aantal toepassingen van plantengentechnologie is inmiddels groot en de mogelijkheden legio. Voeding met een optimale samenstelling zal niet alleen meer komen van de meest vruchtbare gronden. Ook land waar nu vrijwel niets wil groeien zal geëxploiteerd worden met teelt van genetisch gemodificeerde gewassen die onder extreme omstandigheden kunnen groeien.
Hans Tramper is emeritus-hoogleraar Bioprocestechnologie Wageningen Universiteit en reflecteert in een aantal essays op de geschiedenis van zijn vakgebied. Zijn stukken werden tot nu toe gepubliceerd op 18 juni, 30 juni, 11 juli, 22 juli, 19 augustus, 10 september, 21 september, 30 september, 10 oktober en 31 oktober 2018.
Cel- en weefselkweek
Een essentieel onderdeel voor plantengentechnologie is cel- en weefselkweek. De techniek om geïsoleerde plantencellen en -weefsels net als micro-organismen in reageerbuizen en op Petrischaaltjes te kweken, is in de twintigste eeuw ontwikkeld. De Duitser Haberlandt heeft vroeg in de vorige eeuw als eerste geëxperimenteerd met deze zogeheten in vitro kweek en vele laboratoria over de hele wereld zijn hem gevolgd. Het zijn Murashige en Skoog geweest die in 1962 met een recept komen voor een specifieke groeivloeistof (kweekmedium) waarin tabaksplantenweefsel goed groeit. Het recept is inmiddels gebruikt voor het in vitro kweken van vele soorten plantencellen en -weefsels. In mijn onderzoeksgroep hebben we er in de eindjaren ’80 en beginjaren ’90 ook dankbaar gebruik van gemaakt. We hebben dit toentertijd niet gedaan met het oog op genetisch gemodificeerde gewassen. We hadden als doel de productie van hoogwaardige bioactieve stoffen, bijvoorbeeld geneesmiddelen, onder goed gecontroleerde omstandigheden in grote geroerde vaten, oftewel bioreactoren. Het is ons echter niet gelukt de plantencellen in vitro te laten maken wat de hele plant op het land wel doet. Er zijn weliswaar tientallen artikels uit voortgekomen, maar de plantencellen hebben nooit precies gedaan wat wij graag wilden. Verder dan veelbelovend zijn we niet gekomen. En wij niet alleen. Nu, een kwart eeuw later, is productie met plantencelbioreactoren nog altijd niet veel verder dan ‘veelbelovend’, de enkele toepassing daargelaten. Een mooi voorbeeld van de laatste is Paclitaxel (handelsnaam Taxol) van Phyton Biotech. Het is een medicijn gebruikt voor chemotherapie van diverse soorten kanker.
Begin jaren ’70 dient de recombinant-DNA-technologie van micro-organismen zich aan, maar ook de plantenbiologen zijn dan ver genoeg met plantencel- en weefselkweek om de in vitro cellen en weefsels genetisch te kunnen modificeren. Er zijn dan ook al technieken ontwikkeld om geschikte genetisch gemodificeerde cellen te selecteren en daaruit een hele genetisch gemodificeerde plant te regenereren. De verschijningsvorm (fenotype) van planten die geregenereerd worden uit cel- en weefselkweken kan echter sterk verschillen van de plant waaruit ze voortkomen. Dit verschijnsel wordt somaklonale variatie genoemd. Aanvankelijk denkt men dat dit het gevolg is van diverse soorten genetische veranderingen (mutaties), maar in het laatste decennium is er bewijs gekomen dat er eveneens epigenetische veranderingen optreden (dat wil zeggen: erfelijke eigenschappen die hun basis niet hebben in sequentie van het DNA). Dergelijke veranderingen verminderen de efficiëntie van het verkrijgen van bruikbare genetisch gemodificeerde planten. De plantenbiologen pakken dit probleem aan door een groot aantal genetisch gemodificeerde cellen te maken en daaruit selecteren ze die, die na regeneratie tot een hele plant de gewenste expressie en fenotype hebben. Lukt dat niet dan wordt de oorspronkelijk plant eerst gekruist met een plant waarmee het al wel lukt. Hiermee wordt net zo lang doorgegaan tot alle ongewenste genetische mutaties, ongewenste epigenetische veranderingen en ongewenste andere kenmerken verwijderd zijn.
Plantengentechnologie met Agrobacterium tumefaciens
In de jaren ’70 en ’80 ontwikkelen onderzoekers steeds effectievere methoden om nieuwe eigenschappen in te brengen in het genoom van planten. Een daarvan is het gebruik van een Agrobacterium tumefaciens plasmide om planten genetisch mee te modificeren; de oorsprong daarvan ligt omstreeks het begin van de twintigste eeuw. Men stelt dan vast dat Kroongalziekte, een bepaalde plantentumor, veroorzaakt wordt door deze bacterie. Halverwege die eeuw ontdekt men dat de plantentumorcellen ook hun tumoreigenschappen behouden in afwezigheid van deze bacterie. Dit leidt dan tot de veronderstelling dat de bacterie een permanente genetische verandering teweeg kan brengen. In de jaren ’70 helderen de plantenbiologen het onderliggende mechanisme op. De Agrobacterium bacterie draagt DNA over aan planten via een deel van een grote tumor-inducerende (Ti-)plasmide. In dat deel, het T(ransfer)-DNA, zitten de genen die tumorgroei veroorzaken als ze tot expressie komen in de plantencellen. Ook zitten er genen in die het metabolisme van de plant zodanig manipuleren dat het de bacterie ten goede komt. In lijn met de ontwikkelingen van de recombinant-DNA-technologie van micro-organismen in de jaren ‘70, ontwikkelen pionierende plantenwetenschappers eind jaren ’70 het Agrobacterium Ti-plasmide voor plantengentechnologie. Ze ontdekken namelijk dat de genen die normaal gesproken door Agrobacterium overgedragen worden en de Kroongalziekte veroorzaken, vervangen kunnen worden door genen die ze in de plantengenomen willen inbrengen. Het zijn Rob Schilperoort (Universiteit Leiden) en zijn Belgische collega’s Marc van Montegu en Jeff Schell (Universiteit Gent) geweest die de twee mijlpaalartikelen erover in Nature publiceerden. In de beginjaren ’80 lijkt het Agrobacterium tumefaciens plasmide een zeer bruikbare genenoverbrenger (vector) voor genetische modificatie van planten. En inderdaad, in de jaren ’80 neemt de plantengentechnologie daardoor een enorme vlucht, zowel in de academische wereld als bij bedrijven. De eerste goedkeuringen voor testen op het land worden gegeven, waaronder die voor de genetisch gemodificeerde tomaat die na 1994 enkele jaren verkocht is onder de naam Flavr Savr (zie Essay 4 Deel 1). Opvallend hierbij is dat dit genproduct toentertijd weinig weerstand ondervond en consumentenvoordelen had: meer smaak en langer houdbaar. Twee jaar later, in 1996, volgt herbicidetolerante soja. In Europa wordt dit product niet met open armen ontvangen. Bij aankomst van het eerste schip in 1996 met genetisch gemodificeerde sojabonen in Rotterdam staat een delegatie Greenpeacedemonstranten op de kade.
Plantengentechnologie met een recombinant Agrobacterium tumefaciens plasmide. Uit de grondbacterie Agrobacterium tumefaciens kan het tumor-inducerende (Ti-) plasmide geïsoleerd worden. In het T(ransfer)-DNA-stuk van dit Ti-plasmide zit een zogeheten restrictiesite waar het plasmide opengeknipt kan worden met een specifiek restrictie-enzym. Na het openknippen kan met een ander enzym, een DNA-ligase, een stuk (soort)vreemd DNA in het plasmide geplakt worden. Dit kan een gen zijn dat een plant een nieuwe gewenste eigenschap geeft, bijvoorbeeld resistentie tegen het herbicide glyfosaat. Op een veld met zo’n herbicideresistent gengewas, zoals bovengenoemde soja, kan men onkruid verdelgen met glyfosaat zonder dat gewas te schaden. Het recombinante Ti-plasmide kan een geïsoleerde plantencel binnendringen en het T-DNA met het (soort)vreemde gen integreert vervolgens in een van de chromosomen. Regeneratie van een hele plant uit deze genetisch gemodificeerde cel levert als alles goed gaat een genetisch gemodificeerde plant op met de gewenste eigenschap. We noemen deze plant transgeen als het een soortvreemd gen betreft, zoals bij herbicideresistente soja, en cisgeen als het om een gen gaat uit bijvoorbeeld een wilde verwant, bijvoorbeeld ziekteresistentiegenen zoals we later zullen zien bij fytoftoraresistente aardappels.
Het genenkanon
In de tweede helft van de jaren’80 wordt nog een andere methode van plantengentechnologie ontwikkeld, de zogenaamde shot gun methode. Hierbij worden kleine metalendeeltjes (van goud of wolfraam) met een diameter van een paar micron gecoat met een stukje DNA waarin ook het gen zit dat de plant de gewenste nieuwe eigenschap kan geven. Deze deeltjes worden op plantencellen in een Petrischaaltje geschoten om de cellen te doordringen en eenmaal binnen het vreemde DNA af te geven. De bedoeling is dat dit DNA stabiel integreert in het genoom van een of meer van de plantencellen. De gewenste genetisch gemodificeerde cellen worden door selectieve kweek geïsoleerd en, als alles verder ook goed verloopt, geregenereerd tot een hele plant met de gewenste nieuwe eigenschap. Aanvankelijk is deze methode bedoeld voor planten die zich niet laten transformeren door het Agrobacterium Ti-plasmide, maar uiteindelijk blijkt deze laatste methode toch ook geschikt te maken voor planten die überhaupt weerbarstig lijken tegen genetische modificatie, zoals bijvoorbeeld maïs.
Uit dit alles blijkt dat de plantengentechnologie een lange geschiedenis heeft. In het volgende deel bespreek ik de recente ontwikkelingen.
Interessant? Lees dan ook:
Genetische modificatie: groeiende kloof tussen publieke perceptie en industriële praktijk
Genetisch veranderd voedsel
CRISPR-Cas: prijswinnende technologie?