Van lezen naar schrijven
Al vele jaren wordt er gesproken van ‘genetische modificatie’, maar pas sinds de opkomst van de synthetische biologie mag je met recht zeggen dat er serieus wordt gemodificeerd in de genetica. Welke sprongen in kennis hebben dit mogelijk gemaakt? Een technisch en historisch overzicht.
In plaats van ‘slechts’ het DNA te bestuderen, is het ook mogelijk om met behulp van vreemd of nieuw DNA cellen allerlei nieuwe dingen te laten doen. Het introduceren van vreemd DNA in andere organismen, ofwel genetische modificatie, wordt al langere tijd gedaan. Het bouwen van complete nieuwe biologische systemen en volledige reactiepaden of het maken van nieuwe levende cellen met behulp van kunstmatige stukken DNA is evenwel een nieuw gebied: de synthetische biologie.
Friedrich Miescher (1844-1895), de ontdekker van de stof ‘nucleïne’.
Stichting Biowetenschappen en Maatschappij
De ontdekking van erfelijk materiaal
In de negentiende eeuw bestudeerde de Zwitserse biochemicus Friedrich Miescher het pus in operatieverbanden. Dat pus was een even onsmakelijke als makkelijk toegankelijke bron van cellen waarvan hij de chemische samenstelling wilde bestuderen. Zo ontdekte hij een stof die andere kenmerken vertoonde dan eiwit of andere bekende stoffen in de cel. Omdat hij de onbekende stof uit de celkern – de nucleus – had geïsoleerd, noemde hij het nucleïne.
De functie van dit nucleïne was lange tijd onduidelijk. Het was al wel bekend dat de celkern betrokken was bij de celdeling, dus men vermoedde dat nucleïne, of nucleïnezuur, de drager zou kunnen zijn van erfelijke informatie. Toen wetenschappers rond 1880 ontdekten dat nucleïnezuur uit slechts vier bouwstenen bestaat, raakte het idee dat het de drager zou kunnen zijn van erfelijke informatie weer uit de mode. Eiwitten, die uit wel twintig verschillende bouwstenen konden bestaan, leken een veel geschiktere kandidaat vanwege de grotere diversiteit. Bovendien was al bekend dat eiwitten bij veel processen in de cel een hoofdrol spelen.
Dubbele helix als drager van genetische informatie
In de tweede helft van de twintigste eeuw ging het snel de goede kant op. Met behulp van bacteriën toonden de Canadees-Amerikaanse arts Oswald Avery en collega’s aan dat genetische informatie is opgeslagen in DNA, en dus niet in eiwitten. Meer puzzelstukken vielen op hun plaats toen Watson en Crick in 1953 de structuur van het DNA ontdekten: een dubbele helix, waarin vier verschillende nucleotiden altijd vaste paren vormen. Die structuur verklaarde meteen de functie. Door de vaste paren is elke streng van de helix het sjabloon van de andere streng. Dit verklaarde hoe genetische informatie kan worden doorgegeven. De informatie zelf moest zijn vastgelegd in de volgorde van de basen in een streng DNA. Het duurde vervolgens nog wel een paar jaar voordat de details van de genetische code waren opgehelderd en men kon verklaren hoe de cel eiwit produceert aan de hand van het DNA.
Inmiddels is de volgorde van de nucleotiden in het genoom van de mens en talloze andere organismen bekend. Met behulp van deze kennis kunnen we bijvoorbeeld afwijkingen in cellen, de oorzaken van sommige ziekten of de evolutionaire verwantschap tussen levende wezens bepalen.
In 1953 ontdekt: de dubbele helix van het DNA-molecuul.
Stichting Biowetenschappen en Maatschappij
De levende cel als chemische fabriek
De verschillen tussen een mens, een paddenstoel en een ziekteverwekkende bacterie zijn op het eerste gezicht enorm. Toch zijn er ook bijzonder veel overeenkomsten. Van een ‘multicellulair’ organisme tot een eenvoudige eencellige amoebe of bacterie, de chemie die de levende cel drijft is in grote lijnen hetzelfde.
Cellen zijn er in twee categorieën: prokaryoot en eukaryoot. Schimmels, planten en dieren zijn eukaryoten. In eukaryote cellen ligt het DNA opgeslagen in een celkern, een speciaal compartiment in de cel. De cellen hebben nog meer onderdelen, zoals de mitochondriën, die voor de energieproductie in de cel zorgen, en het endoplasmatische reticulum, dat een belangrijke rol speelt bij de productie en uitscheiding van eiwitten. Prokaryote cellen, zoals bacteriën en archaeae (ééncelligen die in extreme klimaten, zoals vulkanische bronnen, leven) hebben een eenvoudiger opbouw. Hun cellen bestaan niet uit allerlei compartimenten, waardoor het DNA niet is afgeschermd van de rest van de cel.
Alle cellen zijn omringd door een membraan. Dit membraan, een dun, dubbel laagje van vetmoleculen en eiwitten, schermt de binnenkant van de cel af van de buitenwereld. Dit zorgt ervoor dat in de cel, het cytoplasma, allerlei chemische reacties kunnen plaatsvinden. Dat membraan is overigens niet helemaal gesloten: het is semipermeabel. Allerlei stoffen die de cel nodig heeft om te overleven kunnen er doorheen. Sommige van deze stoffen worden door speciale eiwitten in het membraan actief naar binnen getransporteerd. Andere stoffen kunnen op eigen houtje door het membraan komen. Hierdoor ontstaat er in de cel een optimale omgeving waarin alle stoffen die nodig zijn voor de biochemische reacties altijd bij elkaar in de buurt zijn.
Een membraan bestaat uit een dubbele laag van vetmoleculen, waardoor de inhoud van de cel is afgeschermd van deomgeving.
Stichting Biowetenschappen en Maatschappij
Hoofdrol voor eiwitten
Eiwitten zijn verantwoordelijk voor verreweg de meeste functies die een cel nodig heeft om te kunnen leven. Eiwitten zijn lange ketens van aminozuren. In de natuur komen twintig verschillende aminozuren voor die worden gebruikt om een eiwitketen te vormen. Deze keten wordt in de cel op een specifieke manier opgevouwen, zodat het eiwit een ingewikkelde driedimensionale structuur krijgt en daarmee ook een specifieke functie.
Een cel als de bacterie E. coli bevat zeer veel eiwitten die allerlei verschillende functies vervullen. Zo zijn er enzymen, die de chemische reacties in de cel versnellen en daarmee zorgen voor de stofwisseling in de cel. In het membraan zitten de eerder genoemde transporteiwitten, die stoffen de cellen in- of uitpompen. Ook zijn er ‘antennes’ waarmee signalen van buiten kunnen worden opgevangen: de receptoren. Verder zijn er eiwitten die ervoor zorgen dat de cel een bepaalde vorm aanneemt, die de cel helpen met delen, en die zelfs voor beweging kunnen zorgen.
Een bacterie met een volume van slechts 1 femtoliter (10-15 liter) bevat al enkele miljoenen eiwitten en daarnaast nog een veelvoud aan kleinere moleculen. Dit maakt de vloeistof in de cel (het cytosol) tot een stroperige omgeving waar moleculen opeen gepakt zitten en zich relatief langzaam verplaatsen. Hierdoor zijn de reactiecondities in een cel anders dan in de meer waterige oplossing waar in laboratoria meestal mee wordt gewerkt. Recente ontwikkelingen in de microscopie en spectroscopie maken het mogelijk om reacties in individuele cellen te meten en zelfs individuele moleculen te volgen. Hierdoor ontstaat een steeds beter en meer compleet beeld van het leven, wat belangrijk is bij het (her)ontwerpen van levende cellen.
De belangrijkste verschillen tussen een eukaryote en een prokaryote cel.
Stichting Biowetenschappen en Maatschappij
Brand- en bouwstof voor de celfabriek
Naast ‘macromoleculen’ als eiwitten en DNA zitten er nog talloze kleinere stoffen in de cel, zoals suikers, lipiden en andere organische moleculen die de cel nodig heeft als brand- of bouwstof. Deze zogeheten metabolieten vervullen allerlei functies: ze vormen bijvoorbeeld de grondstoffen voor de bouwstenen waaruit de macromoleculen bestaan. Andere metabolieten, vooral suikers en vetten, worden afgebroken om de cel te voorzien van energie. Planten en schimmels maken ook nog veel metabolieten die heel andere functies hebben. Bekende voorbeelden zijn giftige stoffen die planteneters moeten afstoten. Veel metabolieten zijn ook interessant voor de mens. Sommige kunnen gebruikt worden als geneesmiddel. Antibiotica bijvoorbeeld, zijn bijna altijd varianten van metabolieten uit de natuur. Het mag duidelijk zijn dat het ombouwen van cellen om nieuwe geneesmiddelen of andere bruikbare stoffen te maken een van de doelstellingen is van de synthetische biologie.
