Het DNA in ons lichaam bepaalt hoe we eruit zien en hoe ons lichaam werkt. Informatie over onze oogkleur en haarkleur, maar ook erfelijke ziekten liggen erin opgeslagen. Dat is niet alleen zo bij mensen. Ook dieren, planten, bacteriën en virussen bevatten erfelijk materiaal (DNA en/of RNA) dat de biologische eigenschappen bepaalt. Miljoenen jaren lang wordt dat genetisch materiaal al doorgegeven van generatie op generatie. Sinds lange tijd proberen mensen door fokkerij en veredeling gunstige genetische eigenschappen bij elkaar te brengen in dieren en planten. Maar het aanpassen van DNA was tot zo’n tien jaar geleden een lastige, tijdrovende en weinig nauwkeurige klus. De komst van het DNA-bewerkingsgereedschap CRISPR-Cas maakt dat proces ineens een stuk eenvoudiger.

Wat is CRISPR-Cas?

CRISPR-Cas is een moderne techniek waarmee wetenschappers DNA heel precies veranderen. Het is een soort moleculaire schaar die een specifiek stukje genetisch materiaal opzoekt in een cel. Wanneer hij dit stukje vindt, knipt hij het DNA op die plek door. Omdat gebroken DNA ernstige gevolgen heeft, ‘lijmt’ de cel zo’n breuk direct. Tijdens dat reparatieproces ontstaan foutjes in het DNA rondom de breuk. Een dergelijke mutatie kan ertoe leiden dat een gen (een stukje DNA dat één biologische eigenschap regelt) uitgeschakeld wordt. En dat is precies wat wetenschappers willen bereiken.

CRISPR-Cas heeft dus twee missies: opsporen en knippen. Het systeem bevat twee onderdelen met elk zijn specialisme: gids-RNA en een Cas-eiwit. Gids-RNA is een klein stukje genetisch materiaal dat wetenschappers zo uitkiezen, en maken, dat het overeenkomt met een stukje DNA dat ze willen aanpassen. Cas-eiwit is een stofje dat DNA openritst en het vervolgens doormidden knipt. Samen met het gids-RNA vormt het Cas-eiwit een geheel. In een cel scant dat systeem het erfelijk materiaal totdat het een stuk DNA vindt dat overeenkomt met het voorbeeld, het gids-RNA. Op dat moment is het de taak van het Cas-eiwit om met zijn moleculaire schaartjes het DNA op ongeveer die plek door te knippen.

Tegenwoordig bestaan er allerlei varianten op het Cas-eiwit. Elke variant heeft net een andere functie, bijvoorbeeld een DNA-letter vervangen door een andere of een aangeschakeld gen harder of juist minder hard laten werken. Ook is het mogelijk om een stuk DNA mee te sturen met het Cas9-eiwit. Dat stukje DNA gebruikt de cel dan om de breuk in het genetisch materiaal van de cel te dichten. Op die manier bepalen onderzoekers welk stukje DNA wordt toegevoegd. Daarmee kunnen ze bijvoorbeeld een defect gen repareren.

Deze content is beschikbaar als je cookies accepteert.

Wijzig Cookie instellingen Bekijk op Youtube. Opent in een nieuw venster

Waarom willen we genen aanpassen?

Klassieke biotechnologie draaide om het gebruik van micro-organismen om producten te maken. Bier brouwen, kaas maken en kool fermenteren tot zuurkool zijn daar voorbeelden van. In de moderne biotechnologie ligt de nadruk steeds meer op DNA van levende wezens aanpassen. Grofweg gezien veranderen onderzoekers DNA om twee redenen:

1. Fundamenteel onderzoek: onderzoek puur om kennis te vergroten en processen te begrijpen

Ieder levend wezen op aarde bevat genetisch materiaal. Voor wetenschappers is het de ultieme uitdaging om te begrijpen wat elk stukje DNA, elk gen, precies doet. Zo leren ze ook wat er misgaat bij bepaalde genetische aandoeningen. De eenvoudigste manier om te bestuderen wat een bepaald stukje DNA doet, is door dat gen uit te schakelen –net als wanneer je niet weet welke schakelaar in de meterkast voor welke verdieping of kamer dient. Dan schakel je ze één voor één uit en ‘onderzoek’ je wat er gebeurt. Zet je schakelaar 1 om, dan dooft bijvoorbeeld het licht in de keuken. Dat doen onderzoekers precies op eenzelfde manier met stukjes DNA: ze schakelen een gen uit en onderzoeken wat er gebeurt. Zo leerden ze bijvoorbeeld dat een tomatenplant zonder het gen genaamd LEAFLESS, geen bladeren maakt.

2. Levende wezens aanpassen

Wetenschappers passen ook gericht DNA aan wanneer ze de exacte functie van een gen begrijpen. Plantenveredelaars maken met de techniek bijvoorbeeld snel gewassen die goed op zoute of droge grond groeien. Ook binnen de geneeskunde kan CRISPR-Cas voor doorbraken zorgen. Met een kleine aanpassing in het DNA genazen artsen bijvoorbeeld patiënten met sikkelcelziekte, een erfelijke aandoening.

De oorsprong van CRISPR-Cas

De techniek CRISPR-Cas is niet ontstaan in het lab, maar komt uit de natuur. Het is een afweersysteem in bacteriën. Want niet alleen mensen, dieren en planten hebben last van infecties, ook bacteriën krijgen te maken met virussen. Daarom hebben ze een speciaal afweersysteem tegen deze indringers. Dat is ook wel nodig, want al eeuwenlang vindt er een moleculaire oorlog plaats tussen bacteriën en virussen. Elke dag doden virussen bijvoorbeeld één van iedere drie bacteriën in de oceanen.

Wanneer zo’n schadelijk virus (bacteriofaag) een bacterie tegenkomt, injecteert het zijn genetisch materiaal in de cel van die bacterie. Daarmee kaapt hij de cel en gebruikt hij deze als virusfabriek. CRISPR-Cas moet die overname voorkomen. Het afweersysteem in de bacteriecel bevat een verzameling van korte stukjes DNA die overeenkomen met het genetisch materiaal van virussen. Die stukjes dienen als geheugen. Zodra in de cel een virus binnendringt die de bacterie in zijn geheugen heeft, knipt CRISPR-Cas het viraal DNA kapot en doodt daarmee het virus.

Nu kan het gebeuren dat een bacterie wordt aangevallen door een nog onbekend virus, waarvan de bacterie geen stukje DNA heeft opgeslagen in zijn geheugen. Wanneer de bacterie de aanval overleeft, bijvoorbeeld omdat het virus verzwakt is, voegt ze een stukje DNA van haar aanvaller toe aan dat geheugen. Bij een volgende aanval herkent de bacterie de ziekteverwekker direct en neutraliseert ze hem met het CRISPR-Cas-systeem.

De CRISPR-revolutie

Vóór CRISPR-Cas veranderden wetenschappers ook al DNA. Ze maakten mutaties in genetisch materiaal onder meer door het bloot te stellen aan uv-straling. Uv-straling is niet alleen schadelijk voor mensen (vandaar dat we zonnebrandcrème gebruiken), maar voor alle levende wezens. Het beschadigt namelijk DNA. Door bijvoorbeeld tomatenplanten te bombarderen met die straling, ontstaat er schade in het DNA; dat zijn mutaties. Zulke schade kan op elke willekeurige plek ontstaan. Dan is het duimen dat een van de planten er toevallig beter van wordt. Deze methode is onderdeel van ’traditionele’ plantenveredeling en valt niet onder genetische modificatie. Een nadeel van deze methode is dat de nieuwe plant weliswaar verbeterd is, maar ook meerdere foutjes in zijn DNA heeft gekregen door de uv-behandeling.

Rond 2012 ontdekten wetenschappers dat ze met het afweersysteem van bacteriën elk stuk DNA konden knippen. Sindsdien is CRISPR-Cas niet meer weg te denken uit de biotechnologie. De techniek maakte zo’n vlucht dat de ontdekkers, Jennifer Doudna en Emmanuelle Charpentier, in 2020 de Nobelprijs voor de scheikunde ontvingen. Dat is ongebruikelijk snel voor zo’n prijs, wat alleen maar aantoont hoe groot de maatschappelijke impact van deze techniek is. Ook de Nederlandse microbioloog John van der Oost, een van de grondleggers van de CRISPR-Cas-techniek, won in 2018 een prijs (de Spinozaprijs) voor zijn werk.

Grootschalig gebruik

Tegenwoordig gebruiken wetenschappers CRISPR-Cas op grote schaal en blijven ze nieuwe toepassingen ontdekken. Zo proberen onderzoekers met CRISPR-Cas immuuncellen genetisch aan te passen, zodat ze tumoren beter aanvallen. Ook lopen er klinische studies waarbij artsen CRISPR-Cas gebruiken om de erfelijke netvliesziekte LCA (Leber Congenitale Amaurosis) te genezen. Mensen met die ziekte zijn meestal vanaf de geboorte slechtziend of blind. De eerste resultaten van de klinische studie tonen aan dat het zicht van de patiënten verbeterde, al deden er tot nu toe slechts zes patiënten mee aan de studie.

Ook bestaat er een coronatest die gebruikmaakt van CRISPR-Cas. Het moleculaire gereedschap herkent het genetisch materiaal van het coronavirus en knipt het in stukken. Dat schakelt een soort lichtgevend stofje aan: het teken dat de persoon besmet is met het virus. Eind 2021 lagen bovendien de eerste bloeddrukverlagende tomaten in Japanse supermarkten. Met dank aan CRISPR-Cas.

Regelgeving rondom CRISPR-Cas

Met de komst van nieuwe technologieën als CRISPR-Cas moeten overheden oordelen over de wet- en regelgeving rondom die technieken. Het Europese Hof van Justitie besloot in 2018 dat ook de nieuwe technieken onder de wetgeving voor genetisch gemodificeerde organismen (GMO) vallen. Organismen waarvan het DNA is aangepast door CRISPR-Cas, zijn daardoor gebonden aan strenge regels en moeten een langdurig toelatingsprocedure doorlopen. In andere landen, zoals de Verenigde Staten, Canada en China, valt CRISPR-Cas buiten zulke wetten.  

Op de uitspraak van het Europese Hof van Justitie volgde veel kritiek vanuit de wetenschappelijke hoek. Tegenstanders van de uitspraak beargumenteerden dat moderne technieken om DNA aan te passen even veilig of zelfs veiliger zijn dan sommige methoden die wel zijn toegestaan. Ook benadrukken ze dat veredelaars met CRISPR-Cas eenvoudig aanpassingen in gewassen kunnen maken die normaal tientallen jaren veredeling kosten. De techniek vormt dus een nuttige toevoeging aan een wereld waarin voedselzekerheid wordt bedreigd door oorlog, klimaatverandering en de toenemende wereldbevolking. 

Op aandringen van de Raad van Ministers startte de Europese Commissie in 2019 een langdurige studie naar nieuwe genoomtechnieken, zoals CRISPR-Cas, en de mogelijkheid om de regelgeving rondom die technieken te versoepelen. Maatschappelijke consultaties, studies rondom veiligheid en ethische discussies kwamen onder meer aan de orde. Een van de conclusies was dat de GMO-wet, opgesteld in 2001, niet past bij moderne DNA-aanpassingstechnieken ontwikkeld na 2001. Op 6 juli 2023 presenteerde de Europese Commissie een voorstel voor vernieuwde wet- en regelgeving rondom nieuwe genoomtechnieken. De lidstaten, waaronder Nederland, moeten over dat voorstel stemmen.