Wetenschappers maken barcode van DNA
Amerikaanse wetenschappers hebben biologische barcodes van DNA gemaakt en plaatsten die in onschadelijke micro-organismen. Met deze DNA-barcodes zijn producten nauwkeurig en betrouwbaar te volgen. Toch hebben sommige wetenschappers twijfels over de toepasbaarheid op grote en langdurige schaal.
Streepjescodes, QR-codes en labels op producten kunnen verloren, vervalst of verwisseld worden. Nu productieketens op wereldwijde schaal opereren en internationaal transport toeneemt, wordt de herkomst van producten herleiden steeds belangrijker. Wetenschappers van Harvard Medical School en hun collega’s ontwikkelden daarom een biologische barcode. Die code kan op grote schaal gebruikt worden, is moeilijk na te maken en blijft maanden detecteerbaar. Hiermee hopen de wetenschappers ziekteverspreiding via voedsel, illegale houtkap en namaakgoederen tegen te gaan.
Overlevingscapsule
De biologische barcode bestaat niet uit streepjes, maar uit de vier bouwstenen van DNA: A, C, T en G. De wetenschappers maakten korte DNA-codes die ze inbouwden in bakkersgist en de bodembacterie Bacillus subtilis. Vervolgens sprayden ze de micro-organismen, met hun unieke DNA-barcode, op producten als hout, zand en gewassen. Daarop bleven de biologische barcodes maandenlang detecteerbaar, zelfs na wassen en koken of blootstelling aan regen en wind. De wetenschappers publiceerden hun resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift Science.
Een stuk van een van de DNA-barcodes, ontwikkeld door de Amerikaanse wetenschappers. Een DNA-barcode bestaat uit 28 tekens en bevat de letters A, C, T en G. Die staan voor de bouwstenen van het DNA: adenine (A) cytosine (C ), thymine (T) en guanine (G). Hiermee kunnen meer dan een miljard unieke codes gemaakt worden.
Nicole van ’t Wout Hofland
Door de DNA-barcode in bacteriën en gist te plaatsen, maken wetenschappers genetisch gemodificeerde organismen (GGO’s). Het idee om zulke micro-organismen wereldwijd te verspreiden lijkt in tegenstrijd met de strenge GGO-wetgeving in delen van de wereld, waaronder de EU. Daarom gebruikten de onderzoekers geen groeiende, delende micro-organismen, maar inactieve sporen. Sporen zijn een soort overlevingscapsules. Normaal groeien die uit tot delende micro-organismen wanneer de omstandigheden gunstig zijn, net als een plant uit een zaadje. Maar voor deze toepassing schakelden de wetenschappers bepaalde genen in de sporen uit, waardoor ze niet meer uit hun slaaptoestand kunnen ontwaken.
Zorgen om resistentie
De DNA-barcode blijft zeker drie maanden detecteerbaar met apparatuur in een laboratorium. De maximale ‘houdbaarheidsdatum’ van de DNA-barcode hebben de wetenschappers nog niet onderzocht. Maar net als plantenzaden, gaan sporen jarenlang mee. Daarom blijft de barcode waarschijnlijk een stuk langer bestaan dan enkele maanden en is de afkomst van bepaalde producten mogelijk na jaren nog te herleiden.
“Dat sporen niet snel stuk gaan, is gunstig voor deze methode, maar is ook een nadeel”, zegt Charlotte Koster, promovendus industriële microbiologie aan de TU Delft. Koster is niet betrokken bij het onderzoek, maar werkte in het verleden met sporen. De onderzoekers laten zien dat de sporen zich in enkele maanden minimaal verspreiden. Toch vraagt Koster zich af hoe dat op lange termijn zal zijn: “Na verloop van tijd bevat alles om ons heen DNA-barcodes en worden producten misschien wel één grote mix ervan. Ik vraag me dus af hoe betrouwbaar de methode blijft over de jaren heen.”
Bakkersgist (Saccharomyces cerevisae)
Mogana Das Murtey, Patchamuthu Ramasamy via Wikimedia Commons CC BY SA 3.0
Wanneer een overlevingscapsule toch na verloop van tijd breekt, komt het DNA vrij. Andere micro-organismen kunnen dat DNA vervolgens opnemen. Zo kan onnatuurlijk DNA, zoals de DNA-barcodes, vanuit sporen ook in levende micro-organismen terechtkomen. Toch hebben deze stukjes DNA weinig invloed op de natuur, denk Koster: “De wetenschappers ontwierpen de DNA-barcodes zo dat ze geen bestaand gen vormen”. In de natuur hebben die korte codes dus geen functie.
Wel maakt Koster zich zorgen om de antibioticaresistentiegenen die bacteriën in het lab meekrijgen van onderzoekers. “Dat zijn handige tools om te gebruiken bij het manipuleren van micro-organismen, maar moeten wel gecontroleerd binnen het laboratorium blijven”, zegt Koster. “Wanneer deze mechanismen op grote schaal in de natuur terechtkomen, is er kans op een toename van antibioticaresistente bacteriën.” Hoewel de onderzoekers de antibioticaresistentiegenen uit de gist en bacterie verwijderden voor deze toepassing, vermoedt Koster dat bij productie op grote, industriële schaal dat nog wel eens fout kan gaan.
Groeiende gewassen
Met de DNA-barcode slaagden de onderzoekers erin om een enkel blad terug te traceren naar de pot waarin de plant was opgegroeid. Daarmee is de oorsprong van besmette groente en fruit snel en makkelijk te achterhalen. Corné Pieterse, hoogleraar plant-microbe interacties aan de Universiteit Utrecht waarschuwt wel dat het sprayen van de biologische barcode op groeiende planten mogelijk een negatief effect heeft op de groei van de gewassen.
“Planten hebben, net als mensen, een immuunsysteem”, legt Pieterse uit. “Dat immuunsysteem registreert micro-organismen zoals bacteriën en gist en wekt een immuunreactie op, zelfs als die micro-organismen geen ziekte veroorzaken.” Groei en afweer vormen een balans in planten: wanneer de plant veel energie stopt in zijn immuunsysteem, gaat dat ten koste van de groei. Dat is natuurlijk niet gewenst in de landbouw. “Hoewel het effect afhankelijk is van de hoeveelheid micro-organismen, zou de veilige optie zijn om de barcode pas ná de oogst op het gewas te sprayen”, aldus Pieterse.
Promovendus Koster vindt de DNA-barcode een leuke en verrassende toepassing van microbiologie: “De onderzoekers hebben de verschillende experimenten goed uitgedacht en grondig uitgevoerd.” Wel is het volgens Koster zaak om verschillende aspecten, zoals de verspreiding van de sporen en hun invloed op de ecosystemen en gewassen nog uitgebreider te testen.
Bron
- Qian, Jason, et al. “Barcoded microbial system for high-resolution object provenance.” Science 368.6495 (5 juni 2020): 1135-1140.
