Wetenschappers bouwden in het lab een synthetische levensvorm met een minimale hoeveelheid genen. Een doorbraak van formaat, waarmee de onderzoekers en passant één van de grootste mysteries in de moderne biologie onthulden.
Het kleinste genoom ter wereld is gemaakt met behulp van een soort kaasschaafmethode. Een onderzoekteam onder leiding van de Amerikaanse DNA-goeroe Craig Venter, oprichter van het J. Craig Venter Insitituut in Californië, heeft stukje bij beetje aan bestaand DNA geschaafd totdat alle niet-essentiële onderdelen waren verwijderd. Het resultaat? Een synthetische levensvorm, gemaakt door mensen, waarvan de genetische code – de software waarop het leven draait – korter is dan het kleinste in genoom dat in de natuur voor komt.
Het resulterende miniwezen, dat Venter en zijn team de naam JCVI-syn3.0 meegaven, bleek levensvatbaar en opent de deur naar een breed scala aan mogelijke toepassingen. Zo werpt de kunstbacterie nieuw licht op wat de essentiële genetische ingrediënten zijn van het leven, en welke functies die noodzakelijke genen hebben. Dat opent ook de deur naar de mogelijkheid van genen een nieuwe functie toekennen, of zelfs het ontwerpen van een geheel nieuw genoom waarbij geen enkele bouwsteen direct afkomstig is uit de natuur. Dergelijke wonderbaarlijke prestaties zouden breed uitwaaierende toepassingen kunnen hebben, waaronder de ontwikkelingen van nieuwe medicijnen, het oplossen van het energieprobleem of het bestrijden van klimaatverandering.
Mijlpaal
‘Wat we gedaan hebben is belangrijk omdat het een stap zet naar een compleet begrip van hoe een levende cel werkt’, stelt Clyde Hutchison, co-auteur van het onderzoek dat vandaag in het vakblad Science verscheen. ‘Wanneer we echt begrijpen hoe cellen werken, kunnen we ze ook efficiënt ontwerpen zodat we ze kunnen gebruiken voor de productie van medicijnen of andere nuttige producten.’
Biotechnologen juichen de doorbraak toe, maar sommige zijn ook sceptisch. Zij vragen zich af hoeveel deze geminimaliseerde cellen ons nu echt zullen leren over genen en of hun commerciële potentie wel echt zo groot is als Venter en collega’s beweren. ‘Het is een echte mijlpaal’, zegt George Church van de Harvard Medical School. ‘Maar alleen de markt kan zeggen of het waardevol is.’
Record
Uitgeklede cel JCVI-syn3.0 bevat slechts 473 genen – ruim vijftig minder dan de recordhouder in de vrije natuur. Het kleinste genoom in een levensvatbaar organisme vind je daar in Mycoplasma genitalium, dat 525 genen telt. In het experiment toonden de onderzoekers aan dat hun minimale cellen konden leven, groeien en delen. Ze vormden klompjes cellen in het lab, groeiend op plaatjes met de voedingsstoffen die ze nodig hebben om te lezen.
Deze nieuwe doorbraak is een vervolg op een eerdere prestatie van het team van Venter. In 2010 onthulden zij namelijk voorloper JCVI-syn1.0, de eerste levende bacterie die gebruik maakte van een synthetische kopie van een bestaand genoom. Dat genoom werd ontworpen op een computer, vervolgens in het echt nagebouwd en tot slot in een al bestaande cel gestopt. Vervolgens begonnen de onderzoekers aan een poging om de 901 genen in JCVI-syn1.0 stukje bij beetje weg te schaven, totdat ze het minimale aantal benodigd voor leven overhadden.
Daarvoor gebruikte Venter en zijn team zogeheten transposons, of ‘springende genen’. Deze genen nestelen zichzelf in stukjes DNA en verstoren op die manier de uitleesbaarheid van individuele genen. Op die manier kwamen ze erachter welke genen niet essentieel waren.
Falen
De eerste poging om een geminimaliseerde kunstbacterie te maken, faalde echter. ‘Al onze ontwerpen bleken niet te werken omdat we ons teveel baseerde op de huidige kennis’, zegt Venter. Later bleek dat sommige genen waarvan de onderzoekers dachten dat ze niet belangrijk waren, juist essentieel waren. De verwarring ontstond omdat deze genen in paren voorkwamen, zodat het organisme nog wel levensvatbaar was wanneer slechts één van de twee genen werd verwijderd. Toen zij zich dat realiseerden, konden ze het DNA nauwkeuriger met de kaasschaaf te lijf.
‘Om een levensvatbare cel te krijgen, moesten de onderzoekers nieuwe essentiële en semi-essentiële genen ontdekken die we daarvoor niet kenden’, zegt Steven Benner van de Amerikaanse Foundation for Applied Molecular Evolution.
Biologische donkere materie
Toen de onderzoekers dat deden stuitten ze echter op iets waarvan ze steil achterover sloegen. Van de voor leven essentiële genen, hebben wij van grofweg 31 procent geen flauw idee welke functie ze hebben. ‘Op deze manier ontdekten we essentiële nieuwe biologische feiten’, zegt Venter. ‘Het betekent dat we slechts tweederde van de biologie begrijpen, terwijl we een derde simpelweg niet snappen. Dat is een heel belangrijke les.’ Hutchinson stelt bovendien dat het een ‘opwindende mogelijkheid’ is dat sommige van die genen verantwoordelijk zijn voor essentiële biologische functies waarvan we op dit moment helemaal nog geen weet hebben.
Het is nog onduidelijk hoe zulke belangrijke genen zo lang onder de radar van de biologie hebben gevlogen. Wellicht coderen ze gewoon alsnog voor bekende biologische fucnties, maar lijken ze onvoldoende op de genen die daar in andere organismen verantwoordelijk voor zijn, zodat we ze simpelweg nog niet hebben herkend.
‘Zoveel genen vinden zonder een bekende functie is verontrustend, maar het is ook heel spannend omdat er nu heel veel meer te leren valt’, zegt bioingenieur Alistair Elfick van de University of Edinburgh. ‘Dit is een beetje de ‘donkere materie’ van de biologie.’
Volgens Drew Endy van de Stanford University heeft het onderzoek van Venter en collega’s dingen onthuld over de essentiële voorwaarden voor het leven die ons anders nooit waren opgevallen. Hij stelt dat we nu moeten proberen die gaten in onze kennis te dichten. ‘We moeten ons begrip van de cel nu echt vervolmaken’, zegt hij. ‘Elk atoom en elk molecuul. Dit moet vanaf nu echt de topprioriteit worden binnen de biologie.’
Bacterieparadijs
De meeste bekende essentiële genen in de kunstbacterie zijn betrokken bij de productie van eiwitten die noodzakelijk zijn voor het overleven van een organisme, of zorgen voor de benodigde checks om te zien of een genoom goed gekopieerd is bij het splitsen van de cel. Verder onderscheidde de onderzoekers nog twee groepen essentiële genen. De eerste daarvan maakt eiwitten maken die noodzakelijk zijn voor het celmembraan, zodat essentiële voedingsstoffen zoals glucose de cel in kunnen en afvalstoffen de cel uit gaan. De tweede groep is verantwoordelijk voor het converteren van voedingsstoffen naar energie.
Volgens Elfick zou de definitie van wat essentieel is echter stevig kunnen veranderen wanneer een organisme in een andere omgeving terecht komt of er een andere levenstijl op nahoudt. De kunstbacterie van Venter leeft immers in een bacterieparadijsje waar in al zijn behoeftes wordt voorzien, waaronder een weeldige toevoer van energierijke glucose. In een onvriendelijkere omgeving, zoals in aarde of in water, zouden ze extra genen nodig hebben die ervoor zorgen dat ze de concurrentie aan kunnen gaan met hun rivalen voor dezelfde voedingsbronnen en die ervoor zorgen dat ze de essentiële bouwstenen voor het leven ook kunnen maken uit schaarsere voedingsbronnen. ‘Het is waarschijnlijk dat hoe essentieel genen zijn sterk afhangt van hun omgeving’, zegt Elfick.
Paul Freemont, co-directeur van het Centre for Synthetic Biology and Innovation aan het Imperial College Londen, stelt dat een handige vervolgstap is om JCVI-syn3.0 nu te gaan vergelijken met het kleinste genoom uit de natuur, om te ontdekken welke genen precies overlappen.
Voor God spelen
Pogingen om synthetische levensvormen te maken worden vaak door de media beschreven als mensen die voor God spelen. Vaak roepen dit soort dingen ook de angst op dat de kunstmatige levensvormen die wetenschappers ontwikkelen gevaarlijk zijn voor het milieu of voor onze gezondheid.
‘Als we al voor God spelen, zijn we er niet vreselijk goed in’, zegt Elfick daarover. ‘We zijn nu alleen nog maar aan het stroomlijnen wat al lang in de natuur bestaat. Dat klinkt mij niet heel erg God-achtig in de oren. Sterker nog, het is een exercitie waar je juist heel bescheiden van wordt.’
Bovendien, stelt hij, hoeven we ons over deze synthetische cel echt geen zorgen te maken. ‘Er zijn enorm veel beestjes in de wereld die heel veel enger zijn dan deze.’
Altijd op de hoogte blijven van het laatste wetenschapsnieuws? Meld je nu aan voor de New Scientist nieuwsbrief.
Lees verder: