Het knutselwerk naar de synthetische cel is weer een stap verder. Een kern met maar liefst zestien door mensen gemaakte chromosomen komt er aan. En dat is een enorme stap. Wat is hier voor nodig en wat hebben we hier nou aan?
Het blijft een spannende vraag in de biologie: Kunnen we zelf cellen maken vanuit de losse ingrediënten, als een soort heel ingewikkeld recept? Op het juiste moment een snufje DNA, een toefje membraan-lipiden, een scheutje knippende enzymen. Al tientallen jaren werken verschillende onderzoekers aan de synthetische cel, om hier steeds een stapje verder mee te komen.
Huzarenstukje
Een synthetische cel is een cel waarbij vanaf de losse bouwstenen alle delen van de cel door de mens gemaakt zijn. Dus losse delen om de membraan, de celorganellen en het genoom te maken. Maar meestal hebben onderzoekers het over het genoom, het genetisch materiaal in de cel, dat is ingebracht in een levende cel waar het vorige genoom uitgehaald is.
Een eerste grote doorbraak hiervoor was in 2010. In het lab van de befaamde grondlegger van de synthetische biologie Craig Venter. Hij ontwikkelde na jaren van onderzoek de eerste bacteriecel met een synthetisch genoom. De grote belofte van dit huzarenstukje aan onderzoek is dat het nog meer opties lijkt te bieden om micro-organismen zo om te bouwen dat ze belangrijk stoffen als brandstof, medicijnen of andere nuttige stoffen aanmaken.
Recent zijn er weer een paar grote stappen gemaakt. Eind vorig jaar publiceerde een groep wetenschappers dat ze ver op weg zijn met het zelf samenstellen van de eerste synthetische celkern. Eerder al lukte het andere onderzoekers om al het DNA-materiaal van een virus en van een kleine bacterie na te maken en te vervangen. Dat ze nu ze ver zijn met een cel met meerdere chromosomen in een kern, is een enorme stap, duidt onderzoeker Pascale Daran-Lapujade. Zij werkt als biotechnoloog aan de TU Delft en bouwt daar ook aan synthetische chromosomen. “Ik heb niet aan dit project meegewerkt, maar ik volg het al jaren. Het is begonnen in het lab van Jef Boeke in New York vijftien jaar geleden en inmiddels werkt hij met andere labs van over de hele wereld samen aan dit project.” Dit gaat trouwens alleen over het namaken van het DNA, onderdelen als membraan en losse onderdelen bouwen zijn niet mee genomen. “Dit is al uitdaging genoeg.”
Vele malen groter
De stap naar de chromosomen van deze beoogde cel is enorm. De eerste pogingen gingen om een veel kleiner genoom, los in de cel gelegen. Hier gaat het om maar liefst zestien chromosomen, verpakt in een celkern. De cel waar ze nu aan knutselen is Saccharomyces cervesiae, ook wel bekend als bakkersgist, die waarmee je brood en ook je bier gegist is. Ook Daran-Lapujade werkt met deze gistcel. “Het is een belangrijk modelsysteem binnen de synthetische biologie en kent veel toepassingen in de industrie. De hoeveelheid DNA is vele malen groter dan bij het vorige zelfgeknutselde genoom van een bacteriecel.”
Ook binnen de eencelligen met een celkern is deze gistcel niet typisch een kleintje. Toch was het de meest logische keuze. “Bij vorige projecten werd gebruik gemaakt van de bacterie Escherichia coli, dat is het werkpaard van de DNA-amplificatie en daardoor heel geschikt voor projecten met synthetische cellen.” Als je zelf chromosoom gaat bouwen, dan krijg je maar stukken tot 200 basenparen, de legoblokjes van je DNA, aan elkaar geplakt. Een chromosoom is veel groter dan dat. Daarom gebruiken onderzoekers andere cellen die het wel lukt om die stukjes aan elkaar te plakken met de juiste enzymen. E. Coli kan dat, maar bleek bij grotere stukken ook zijn beperkingen te hebben. Zo kwam S. cervesiae in beeld. “Deze gistcel heeft bovendien een bijzonder DNA-herstel-systeem dat zo nog veel nauwkeuriger is in het aan elkaar plakken van de verschillende stukjes DNA.”
Inmiddels is er een cel waarin negen van de zestien chromosomen synthetisch zijn nagemaakt, zo vertelt de publicatie. “Maar alle zestien chromosomen zijn al gemaakt,” voegt Daran-Lapujade toe. “Verschillende labs verspreid over alle continenten werken hier tegelijkertijd aan. Elk werken ze aan bepaalde chromosomen. Die bij elkaar zetten in één celkern is ook nog een enorme opgave.”
Husseltechniek
Waarom proberen onderzoekers dit eigenlijk? “Het is echt fundamenteel onderzoek, om te kijken of het kan. Het heeft geen directe toepassing, maar gaandeweg kom je altijd tot nieuwe kennis die wel direct toepassingen heeft. Een voorbeeld hiervan is de SCRaMbLE-techniek die hieruit voort gekomen is. Daarbij induceer je grote verandering waarbij chromosomen door elkaar gehusseld worden en weer netjes aan elkaar geplakt. Zo creëer je mutaties, stukken groter dan puntmutaties, en daarmee kun je gaan selecteren op mogelijk gewenste eigenschappen.” Daran-Lapujade gebruikt deze techniek zelf eigenlijk niet. “Het lijkt voor de toepassingen waar ik aan werk niet nodig.” Voor haar werk binnen het BaSyC project, bouwt ze wel aan chromosomen in deze gistcel. “Maar vooral voor industrieel gebruik. De gistcel wordt op veel manieren gebruikt voor het maken van belangrijke stoffen. Ook bijvoorbeeld om menselijke celprocessen te bestuderen.” Ze kan menselijke genen nabouwen en in de gistcellen zetten, het vermenselijken van de gistcellen heet dat.
Reflecterend op een filosofische vraag, wat zegt dit bouwen met de losse onderdelen van de cel over wat het leven is? Is een cel uiteindelijk niet meer dan een zakje moleculen, en zijn wij mensen niet meer dan zakjes moleculen? “Wat mij betreft is dit alles scheikunde,” erkent Daran-Lapujade lachend. “Een cel, maar ook ons vermogen om te kunnen praten, onze gedachtes. Met dit soort projecten zoeken we uit hoe we gaan van moleculen naar leven. Ik ben niet gelovig, denk niet dat er een mystiek aspect aan zit. Vanaf de losse moleculen een cel bouwen blijkt al zo complex, dat geeft al genoeg verwondering voor mij.”
