Nu écht synthetisch: hoe bouw je een nieuwe cel?
De ontdekking van het knippen, plakken en kopiëren van DNA markeerde het begin van een revolutie in de moleculaire biologie. Het werd nu mogelijk om genen en eiwitten in detail te bestuderen. Deze recombinant-DNA technieken zijn ook onmisbaar als je biologische onderdelen, apparaten, modules of systemen wilt bouwen uit genetische onderdelen; als je synthetische biologie wilt bedrijven. Deze ontwikkeling wordt ook wel aangeduid met de term ‘Recombinant DNA 2.0’.
De bouwstenen van de synthetische biologie
De uitdaging van de synthetische biologie is om verschillende onderdelen (bijvoorbeeld genen die coderen voor specifieke eiwitten) zó te combineren in een zogeheten ‘module’, dat de combinatie meer wordt dan slechts de som van de onderdelen. Een module waar in de synthetische biologie nu al veel mee wordt geëxperimenteerd is de biologische oscillator.
Veel biologische processen kennen terugkoppelingsmechanismen. Wanneer een cel bijvoorbeeld een bepaalde stof produceert zal die productie worden geremd of zelfs stoppen wanneer er teveel van het eindproduct aanwezig is in de cel. In sommige gevallen kan dat eindproduct in overmatige hoeveelheden zelfs giftig zijn voor de cel. Wanneer de hoeveelheid eindproduct weer beneden een bepaalde drempel is gekomen zal de productie opnieuw aanvangen. Die terugkoppeling proberen synthetisch biologen te vangen in een oscillator: een module met een ‘oscillerend ritme’. In zo’n module zit bijvoorbeeld een promotor die reageert op de aanwezigheid van een bepaalde stof, en daarmee genen aan of uit kan zetten. Net als in een natuurlijk terugkoppelingsmechanisme ontstaat met zo’n module een gecontroleerde productie van de gewenste stof. Zo’n oscillerende module is een cruciaal onderdeel in synthetisch biologische systemen die ontworpen zijn (of worden) om medicijnen of andere nuttige stoffen te produceren. Bouw je een synthetische cel die alleen maar produceert, dan zal zo’n cel zichzelf binnen de kortste keren vergiftigen.
Er zijn allerlei regelsystemen, niet alleen oscillatoren, die de chemie in de cel sturen. In grote lijnen is dit te vergelijken met de procedures en processen in een fabriek of een ziekenhuis die zorgen dat bijvoorbeeld een auto wordt geproduceerd en een patiënt goed en tijdig wordt behandeld. Loopt een onderdeel van een machine vast dan kan dit de gehele productie lamleggen. Synthetisch biologen zijn nu vooral nog druk doende om de procedures in een cel te doorgronden en met het maken van een blauwdruk van de cel.
Mogelijkheden en moeilijkheden
Er zijn onnoemelijk veel nuttige en interessante trucs uit de natuur die kunnen worden gebruikt voor allerlei toepassingen met behulp van de synthetische biologie. Het begon met kleine apparaten en modules, inmiddels is er een gist die een medicijn produceert tegen malaria. Ook zijn zoogdiercellen zó geprogrammeerd dat zij essentiële eigenschappen van bepaalde ziektes hebben. Op die manier kun je met die cellen medicijnen screenen. Er bestaan ook al bacteriële biosensoren om zware metalen mee te detecteren. De mogelijkheden zijn eindeloos, maar daarmee niet per se makkelijk bereikbaar.
Meer dan andere technologische vakgebieden heeft de synthetische biologie duidelijke praktische obstakels. Vanuit de technologische principes is het gebruikelijk dat onderdelen gemakkelijk te combineren zijn. Maar laboratoria die zich bezighouden met synthetische biologie kunnen onderling van compleet verschillende organismen, vectoren, en methoden gebruik maken, elk met eigen voor- en nadelen. Daardoor is het vaak lastig om onderdelen uit te wisselen. Zo maken verschillende laboratoria vaak gebruik van verschillende restrictie-sequenties om genen te knippen.
De individuele onderdelen van levende organismen, zeker wanneer ze worden gebruikt in een groter levend systeem, zijn nog erg onvoorspelbaar. Zo kunnen eiwitten die in de ene cel prima functioneren, voor een ander type cel heel toxisch zijn. Maar de synthetische biologie leert snel. Het standaardiseren en abstraheren van het bouwproces wordt ook in de (synthetische) biologie gemeengoed.
De levende systemen waaraan nu wordt gesleuteld zijn zeer complex. Het proces om op een niveau van een functionerend systeem te komen is er dan ook een van vallen en opstaan. Het ontwerpen en bouwen van biologische systemen is vaak specifiek voor een systeem, waardoor het lastig is om algemene regels op te stellen. Inmiddels is veel standaardisering geïntroduceerd. Nieuwe systemen worden opgebouwd met onderdelen die een duidelijke werkzaamheid hebben. Maar optimalisatie van die synthetisch biologische systemen, bijvoorbeeld het verhogen van de productie van een gewenste stof, is nog vaak afhankelijk van de wetten van de ‘oude’ biologie van Darwin: evolutie op basis van natuurlijke selectie.
Stichting Biowetenschappen en Maatschappij
Plug-and-play DNA
Wanneer het genoom van een nieuw organisme wordt ontrafeld, staan in principe ook nieuwe natuurlijke onderdelen tot onze beschikking. Toch is het in de praktijk moeilijk te voorspellen hoe die systemen zich in een ander biologisch systeem zullen gedragen. De onderdelen moeten eerst worden vertaald naar een algemener toepasbare vorm. In de synthetische biologie is daarom een standaard opgesteld voor een biologisch onderdeel: een genetisch object met een biologische functie dat aan bepaalde voorwaarden voor ontwerp en prestatie moet voldoen, met name op het gebied van de uitwisselbaarheid tussen systemen. Een voorbeeld hiervan is de standaard die BioBrick wordt genoemd. Met BioBricks is het in de synthetisch biologische praktijk makkelijk om onderdelen te combineren en nieuwe functies te creëren. Om die reden worden de BioBricks wel ‘plug-and-play DNA’ genoemd.
Losse biologische onderdelen die ieder een bepaald gedrag hebben, moeten gecombineerd voorspelbaar gedrag opleveren. Daarom is het belangrijk dat biologische functies eerst goed gekarakteriseerd worden. Een promoter stimuleert bijvoorbeeld pas vorming van een eiwit (output) wanneer een drempelwaarde voor een bepaald signaal (input) is bereikt. Daarnaast zal bij toename van de input een punt van maximale output worden bereikt. Andere belangrijke eigenschapen van een systeem zijn reactietijd (tijd input tot output), populatie gemiddelde (output van onafhankelijke celculturen), of stabiliteit (na hoeveel celdelingen is het onderdeel nog functioneel?). Het karakteriseren en het ontwikkelen van nieuwe biologische onderdelen die betrouwbaar zijn in gebruik en werking, hebben zeer grote invloed op de vooruitgang van de synthetische biologie.
Voorbij al deze obstakels en de onzekerheden liggen grote mogelijkheden. Nu al worden complexe systemen samengesteld voor geavanceerde toepassingen. Recombinant-DNA technologieën en standaardisering van biologische onderdelen hebben ons in staat gesteld grootschalige, levende systemen te bouwen met compleet nieuwe functies. Met de synthetische biologie kunnen we vele nieuwe uitdagingen aangaan. Dat begint bij een beter begrip van bestaande biologische fenomenen, en loopt door tot de productie van hoogwaardige stoffen zoals geneesmiddelen en brandstoffen, of de detectie en recycling van afvalstoffen. We kunnen de taal van de natuur nu niet alleen lezen, maar ook zelf nieuwe levensvormen ontwerpen door te schrijven.
Als ze maar te eten krijgen
Micro-organismen als bacteriën en gisten zijn bij uitstek geschikte objecten voor synthetische biologen. Maar waaróm is dat eigenlijk zo? Een bacterie als E.coli doet er twintig minuten over om te delen. Eén cel weegt 10-15 kilogram. Dat betekent dat, als je de celkweek maar genoeg te eten geeft, je na 44 uur 10-15 keer 2132, dus 6 keer 1024 kilo E. coli kunt hebben. Dat is de massa van de hele aarde! Met andere woorden: zolang je ze maar te eten geeft groeien micro-organismen wel door; en produceren ze wellicht ook de stoffen die je ze als synthetisch bioloog wilt laten produceren.
Stichting Biowetenschappen en Maatschappij
Stichting Biowetenschappen en Maatschappij
