Nieuwe mogelijkheden in de industriële biotechnologie
Het inzetten van recombinant-DNA technologie komt in grote lijnen neer op het opnieuw ‘schikken’ (recombineren) van natuurlijke stukken DNA. Hierdoor kan de activiteit van genen binnen een micro-organisme worden veranderd of kunnen genen worden overgedragen van het ene naar het andere organisme. Hoewel deze aanpak kan leiden tot indrukwekkende verbeteringen in de productie van chemicaliën die van nature door levende organismen worden gemaakt, kent deze methode toch ook veel beperkingen.
Sinds 2010 is er sprake van een razendsnelle ontwikkeling in de manier waarop micro-organismen genetisch worden gemodificeerd. Die ontwikkeling rust voor een belangrijk deel op de synthetische biologie. In de industriële biotechnologie is er, bij de inzet van synthetische biologie, sprake van een voortgaande ontwikkeling van het vakgebied dat we kennen als metabolic engineering. De hierdoor veroorzaakte versnelling en verbreding van het onderzoek is zo groot, dat de term revolutie echt niet overdreven is.
Aanpassen aan de voorkeur van het organisme
Terwijl in het laatste decennium van de twintigste eeuw in steeds hoger tempo de volledige DNA-volgordes van allerlei micro-organismen werden gelezen, werd de basis gelegd voor een nieuwe ontwikkeling: het door machines fabriceren (‘schrijven’) van DNA-moleculen. Doordat het mogelijk werd om steeds langere stukken DNA (van honderden tot uiteindelijk duizenden ‘letters’) nauwkeurig te laten vervaardigen door machines, viel een van de belangrijkste beperkingen van de klassieke recombinant-DNA-technologie weg. In plaats van het simpelweg herschikken van bestaande DNA-volgorden, werd het nu mogelijk om, min of meer op bestelling, nieuwe DNA-volgordes te maken en in micro-organismen in te bouwen.
Het aloude bakkersgist is nu ook een hoofdrolspeler in de moderne biotechnologie.
Stichting Biowetenschappen en Maatschappij
Een eerste, nu wijdverbreide toepassing van DNA-synthese heeft te maken met de code waarin het DNA van verschillende levende organismen is geschreven. Bij het vertalen van de DNA-volgorde naar een aminozuurvolgorde gebruiken vrijwel alle levende organismen dezelfde vertaalsleutel. Maar binnen die vertaalsleutel zijn er verschillende DNA-volgorden die tot hetzelfde eiwit kunnen leiden; er is als het ware sprake van veel verschillende synoniemen. Binnen een bepaald organisme bestaat er vaak een voorkeur voor een bepaalde manier om een eiwitvolgorde in een DNA-volgorde vast te leggen. Om een eiwit uit bijvoorbeeld een plant op een efficiënte manier in een industrieel micro-organisme zoals bakkersgist te produceren, kan het nuttig zijn om de DNA-volgorde precies af te stemmen op de voorkeur voor bepaalde ‘synoniemen’ in bakkersgist. Hoewel het proces leidt tot precies hetzelfde eiwitmolecuul, kan zo’n kleine aanpassing toch ook leiden tot een veel hogere productie van het betreffende eiwit.
Een andere ontwikkeling die direct uit de synthetische biologie afkomstig is, betreft het gelijktijdig assembleren (aan elkaar plakken) van grote aantallen DNA-fragmenten. Vanaf de jaren zeventig van de vorige eeuw was de recombinant-DNA technologie zo’n dertig jaar lang vrijwel geheel afhankelijk van het gebruik van restrictie-enzymen. Restrictie-enzymen zijn eiwitmoleculen die een specifieke volgorde van ‘letters’ op het DNA herkennen, bijvoorbeeld de code ATTAAT. Op de plekken waar deze code voorkomt knipt het enzym het DNA-molecuul doormidden. DNA-moleculen die met hetzelfde restrictie-enzym geknipt zijn, kunnen vervolgens met een ander enzym (ligase) weer aan elkaar worden geplakt. Door gebruik te maken van verschillende restrictie-enzymen, konden DNA-moleculen op een nauwkeurige wijze, stap voor stap, aan elkaar geplakt worden.
In 2010 verscheen een historische publicatie in het Amerikaanse wetenschappelijke tijdschrift Science. In deze publicatie lieten onderzoekers uit het laboratorium van de Amerikaanse wetenschapper Craig Venter zien hoe het gehele erfelijke materiaal van een bacterie door machines kon worden gesynthetiseerd en vervolgens kon worden geassembleerd. Het bleek zelfs mogelijk om het natuurlijke DNA van een bacterie te vervangen door dit synthetische genoom. Deze studie betekende een mijlpaal in de synthetische biologie omdat de vervanging van alle genetische informatie van een levende cel niet eerder was aangetoond. Bij dit onderzoek werd gebruik gemaakt van een nieuwe methode om DNA-fragmenten aan elkaar te koppelen. In plaats van alle fragmenten te knippen met restrictie-enzymen, werden door een machine DNA-fragmenten gemaakt die aan de uiteinden een kleine overlap van zo’n veertig letters hadden. Vervolgens werden deze fragmenten door een proces dat in alle levende cellen voorkomt, homologe recombinatie, aan elkaar geplakt. Deze methode, die zowel in een reageerbuis kan worden uitgevoerd als in een levende bakkersgistcel, maakt het mogelijk om in één keer tientallen DNA-fragmenten in een vooraf bepaalde volgorde aan elkaar te plakken.
In het lab van Craig Venter werd het eerste complete synthetische genoom vervaardigd.
Stichting Biowetenschappen en Maatschappij
Met name deze twee technieken hebben geleid tot een gigantische versnelling van het onderzoek. Gespecialiseerde bedrijven leveren op bestelling DNA-fragmenten, die vervolgens razendsnel gecombineerd kunnen worden en ingebracht in industriële micro-organismen. Inmiddels hebben met name grote bedrijven dit proces ook geautomatiseerd. Synthetisch biologen maken achter de computer een ontwerp voor een genetisch gemodificeerd organisme, waarna robots zorgen voor het synthetiseren, assembleren en inbouwen van de bijbehorende DNA-fragmenten. Andere robots testen daarna automatisch het effect van de aangebrachte genetische modificaties.
Bedrijven als Amyris (producent van o.a. grondstoffen voor malariamedicijnen) kunnen op deze manier duizenden genetisch gemodificeerde micro-organismen in een maand construeren en testen. Amyris zet deze technologie onder andere in voor het maken van farneseen uit suikers. Farneseen is een chemische verbinding die als grondstof kan dienen voor dieselbrandstoffen, maar ook verder omgezet kan worden in geur- en smaakstoffen, ingrediënten voor cosmetica of medicijnen. Inmiddels is het al gelukt om deze verbinding in reactoren van honderden kubieke meters te maken uit rietsuiker.
Compleet nieuwe chemicaliën ontwerpen
Tot voor kort haalde de industriële biotechnologie wetenschappelijke inspiratie uitsluitend uit bestaande kennis in de biologie en de biochemie. Uit wetenschappelijke publicaties en databases werd informatie gehaald over de chemische omzettingen door enzymen. Door het combineren van genen – en dus enzymen – uit verschillende organismen konden syntheseroutes voor natuurlijk voorkomende verbindingen in industriële micro-organismen zoals bakkersgist of de bacterie E. coli worden ingebouwd. Dit zorgde wel voor een belangrijke beperking: op deze manier kunnen alleen chemische verbindingen worden gemaakt die ook in de natuur door levende organismen worden gemaakt.
Veel van de chemicaliën die we nu op zeer grote schaal uit aardolie maken, zoals bijvoorbeeld de bouwstenen van nylon en andere plastics, worden niet in de natuur door levende organismen gemaakt. De genen die we nu in het laboratorium kunnen synthetiseren, maken het ook mogelijk om stofwisselingsroutes te ontwerpen en te bouwen die niet van de natuur zijn afgekeken. Steeds meer academische groepen en bedrijven richten zich nu op deze benadering, met als doel om belangrijke bouwstenen voor de chemische industrie op duurzame wijze te maken uit hernieuwbare grondstoffen.
Stichting Biowetenschappen en Maatschappij
Nieuwe enzymen verzinnen
Bij het ontwerpen van een compleet synthetische stofwisselingsroute maken synthetisch biologen vaak eerst gebruik van gespecialiseerde software, die alle theoretisch denkbare stofwisselingsroutes naar een bepaald product doorrekent. Bij het simuleren van stofwisselingsroutes wordt, naast de beschikbare kennis van de biochemie van levende cellen, ook gebruik gemaakt van reacties die niet in de natuur zijn aangetoond, maar die wel lijken op andere door enzymen gekatalyseerde reacties. Nadat met de computer een aantal scenario’s is uitgerekend voor routes die, in principe, een hoge opbrengst van het gewenste proces kunnen opleveren, richt het onderzoek zich op de missende enzymen. Door een combinatie van gedetailleerde studies naar de structuur en de werking van bestaande enzymen, maken de synthetisch biologen vervolgens genen die zorgen voor de aanmaak van enzymen die de missende reactie kunnen katalyseren. Bij dit ontwerpen van nieuwe enzymen (protein engineering) wordt, naast biologische kennis, ook gebruik gemaakt van robots om met grote snelheid duizenden verschillende varianten van een enzym te kunnen synthetiseren en te testen. Als een synthetisch enzym is gevonden dat de missende reactie katalyseert, kan het betreffende gen, samen met andere modificaties, in een micro-organisme worden ingebouwd.
Deze benadering is door het bedrijf Genomatica uit San Diego gebruikt voor het maken van 1,4-butaandiol met behulp van een genetisch gemodificeerde E. coli bacterie. Dat 1,4-butaandiol is een belangrijke bouwsteen voor het maken van verschillende kunststoffen, maar wordt in de natuur niet als product van micro-organismen aangetroffen. Inmiddels is het gelukt om uit de grondstof suiker honderden grammen butaandiol per liter te maken. Dit wordt nu door het Duitse bedrijf BASF op industriële schaal geïmplementeerd.
Schadelijk voor het milieu?
Bij de inzet van synthetische biologie in de industriële biotechnologie worden micro-organismen soms voorzien van ‘trucs’ in hun stofwisseling die nog niet bekend waren uit de natuur. In verreweg de meeste gevallen bieden deze nieuwe trucs geen enkel voordeel voor het overleven van het betreffende micro-organisme in de natuur. Integendeel, het is doorgaans erg moeilijk om te zorgen dat een micro-organisme dat grote hoeveelheden van een industrieel relevant product maakt, niet razendsnel dit vermogen verliest tijdens de productie. De zorg dat zo’n genetisch gemodificeerd micro-organisme kan leiden tot ecologische problemen bij vrijkomen in de natuur is dan ook vrijwel altijd verwaarloosbaar. Desalniettemin is onderzoek aan en toepassing van genetisch gemodificeerde micro-organismen gebonden aan strenge regels. Twee belangrijke uitgangspunten hierbij zijn dat er geen levende cellen van het micro-organismen in de natuur terecht mogen komen en dat, als dat toch per ongeluk zou gebeuren, het genetisch gemodificeerde micro-organisme zo is ontworpen dat het niet in staat is zich in de natuur te handhaven.
