Scheppers van nu - kunnen we straks zelf levende cellen maken uit dode onderdelen?

Description

Scheppers van nu Levende organismen verschenen vier miljard jaar geleden op aarde. En in de toekomst worden ze wellicht door mensen in elkaar gesleuteld. Wetenschappers vinden steeds meer technieken om kunstmatige cellen te laten werken. Wanneer komen die tot leven? TEKST: FRANK BEIJEN ‘We zijn hier om de eerste synthetische cel van de wereld aan te kondigen’, zei de Amerikaanse geneticus Craig Venter op een persconferentie in 2010. ‘Het is de eerste zich voortplantende soort die van een computer afstamt.’ Het nieuws sloeg in. Tot die tijd was de natuur de enige maker van nieuwe levensvormen. Nu bleek de synthetische biologie in opmars. Deze tak van wetenschap probeert uit losse onderdelen nieuwe levende wezens in elkaar te zetten. Venter en zijn team hadden een bestaande bacterie genomen, zijn DNA eruit gesloopt en door DNA vervangen dat ze in het lab maakten. Ze slaagden erin om deze nieuwe bacterie te laten leven en zich te laten voortplanten. Had Venter daarmee nieuw leven gecreëerd? Nee, zegt nanowetenschapper Cees Dekker van de TU Delft. ‘Venter heeft hooguit een extreme vorm van DNA-transplantatie uitgevoerd. Als omhulsel gebruikte hij een bestaande cel. En de ingebrachte DNA-code was ook niet nieuw.’ Want Venter had het genetisch materiaal van een nauw verwante bacterie nagemaakt, met een beperkt aantal wijzigingen erin. Dat het resultaat zich kan voortplanten (via celdeling, zoals alle bacteriën), dat vindt Dekker geen wonder. De instructie voor het delen van de ‘nieuwe’ bacterie, staan net zo in het DNA van de verwante soort. Interessant, maar geen echt nieuw gemaakte levensvorm. Schudden helpt niet Dekker is ook op zoek naar een manier om levende wezens te bouwen. Maar de Delftse hoogleraar pakt het radicaler aan. ‘Wij werken andersom. We nemen geen bestaande levensvorm waar we dingen uit slopen, we beginnen met een leeg vliesje. En daar voegen we dan componenten aan toe.’ Dit geknutsel dient een belangrijk wetenschappelijk doel: begrijpen hoe het leven werkt. ‘Als je de onderdelen van een bacterie in een reageerbuis stopt en door elkaar schudt, komt de boel nog niet tot leven’, zegt Dekker. ‘Het leeft pas als ze op de juiste manier zijn geordend. Hoe dat precies zit, is de grote vraag. We weten er nog weinig van.’ De onderzoekers hopen op de lange termijn ook praktische problemen te lossen. Als je op de tekentafel micro-organismen kunt ontwerpen, kun je ze wellicht zo maken dat ze grondstof leveren voor biobrandstoffen of medicijnen. Voorlopig zijn synthetisch biologen nog druk met de losse onderdelen van een cel. Voordat je kunt spreken van een levende cel, moet hij in elk geval kunnen groeien en zich kunnen delen. Geen wonder dat ze dat afkijken van de eenvoudigste levensvorm die we nu kennen: de bacterie. Nodig zijn in elk geval een omhulsel, een groeimechanisme, een onderdeel dat genetische informatie bevat en een mechanisme dat de cel in tweeën splitst. Belletjes blazen Een synthetisch omhulsel voor een levende cel is de eerste stap. Dekker: ‘Liposomen zijn daar geschikt voor’. Dat zijn bolvormige blaasjes, gemaakt van vetachtig materiaal. ‘We maken ze bij ons in het lab. Het is bellenblazen op nanoschaal.’ Het is alsof je een auto probeert te bouwen en nu de carrosserie hebt. De carrosserie wordt nog verder ontwikkeld, maar hij werkt wel. Je kunt er de onderdelen in stoppen die de eencellige nodig heeft om te kunnen functioneren. Het omhulsel van de cel mag weinig problemen geven, de volgende stappen zijn moeilijker. Zo moet een eencellige eerst groeien voordat hij zich kan delen. De Groningse hoogleraar biochemie Bert Poolman bestudeert de manier waarop cellen groeien. De motor ervoor is de stof adenosinetrifosfaat (ATP), dat is de grote energieleverancier in de cel. ‘We weten hoe je een cel ATP kunt laten produceren’, zegt Poolman. ‘Daar zijn eiwitten voor nodig. Die nemen we over uit bestaande levende cellen.’ Maar het lukt nog niet om de productie langdurig op gang te houden. ‘Het probleem zit in de balans tussen ATP en de stof die ontstaat wanneer er energie uit de ATP vrijkomt. De beide stoffen moeten precies in balans zijn. Anders wordt de productie van nieuw ATP afgeremd.’ Kopieer de inhoud Wat de cel ook moet doen voordat hij zich kan delen, is zijn inhoud kopiëren. Want de twee cellen die uit de deling ontstaan, zullen van binnen identiek zijn. Een van de meest ingewikkelde onderdelen van de cel is het DNA, het erfelijk materiaal van het organisme. Hoe het DNA van kunstmatige cellen gekopieerd moet worden, is nog niet duidelijk. Maar synthetisch bioloog Philipp Holliger van de Engelse University of Cambridge bouwde in 2012 een aantal synthetische vormen van DNA, met de verzamelnaam XNA. Dat kan zichzelf niet kopiëren, maar het kan wel dienst doen als enzymen die voor het vermeerderen van DNA nodig zijn. Dat XNA zou daarom een eerste stap kunnen zijn op weg naar een kunstmatige drager van erfelijk materiaal die zichzelf kan kopiëren. Als een eencellige is gegroeid en hij heeft zijn genetische informatie gekopieerd, dan hoeft hij zich alleen nog maar te splitsen. Het eencellige organisme ‘knijpt’ zich in tweeën, waarna de delen onafhankelijk van elkaar verder leven. Het onderdeel dat bacteriën in tweeën splitst, is een ring van eiwitten die halverwege de cel ontstaat. Als de tijd rijp is, trekt die zich samen, om de cel te delen. Dekker probeert het mechanisme daarvan in cel te delen. Dekker probeert het mechanisme daarvan in kaart te brengen. ‘We zijn nu nog in de fase dat we onderzoeken hoe de ring zich vormt. Het interessante is dat hij altijd precies in het midden van de cel terechtkomt.’ Boeing is simpeler Het splitsingsmechanisme begrijpen is al heel wat, maar Dekker denkt dat hij het over niet al te lange tijd ook kan namaken. ‘Ik denk dat we binnen vijf jaar een celachtig object kunnen bouwen dat zich deelt’, zegt hij. ‘Dat zal een blaasje zijn waar zo weinig mogelijk in zit. Het zal de ring bevatten en de eiwitten die de ring aansturen, maar bijvoorbeeld nog geen DNA.’ Poolman denkt dat hij er tegen die tijd wel in geslaagd zal zijn om een systeem te maken dat langdurig ATP produceert en de cel kan laten groeien. ‘Geef ons een jaar of vier’, zegt hij. Maar het wordt veel moeilijker om een mechanisme te ontwerpen dat de inhoud van de cel kopieert. In de cel knappen eiwitten al het werk op. Daar zijn er een heleboel van. ‘Om één eiwit te maken heb je vaak tientallen andere eiwitten nodig’, aldus hoogleraar organische chemie Jan van Hest van de Radboud Universiteit Nijmegen. ‘Het is erg moeilijk om dat allemaal goed te besturen. De binnenkant van een bacterie is een heel dikke soep, waarin de onderdelen van de cel door elkaar drijven. Als je erin slaagt om aparte kamers in te voegen in de cel, zitten de verschillende eiwitten elkaar minder in de weg.’ Maar dan is het nog steeds ongelofelijk complex, meent Poolman: ‘De E. coli-bacterie, die we vaak bestuderen, heeft hetzelfde aantal onderdelen als een Boeing 747. Alleen werkt de bacterie veel ingewikkelder. Genen kunnen muteren en eiwitten veranderen in verschillende situaties van vorm. Je moet als het ware iets in elkaar zetten met schroeven die ineens van grootte kunnen veranderen.’ De cel, die synthetisch biologen proberen te maken, moet zo eenvoudig mogelijk worden. ‘Als je alleen onderdelen gebruikt die essentieel zijn om te leven en voort te planten, krijg je een organisme dat zo’n tien keer simpeler is dan de krijg je een organisme dat zo’n tien keer simpeler is dan de E. coli-bacterie’, zegt Poolman. ‘Maar dan hebben we nog steeds zo’n tweehonderd verschillende eiwitten nodig. Eerst krijg je een cel die buiten de reageerbuis niet kan overleven. Later kun je er functies aan toevoegen. Van daaruit werk je verder.’ Voor een door wetenschappers gebouwde cel werkelijk leeft, is er nog een lange weg te gaan. ‘Vergeet niet dat de natuur er ook lang over heeft gedaan’, zegt Poolman. ‘Het lukt niet om even binnen twee jaar iets vergelijkbaars te bouwen.’ Code, letters, DNA Hoe zit het ook alweer met die genetische code, letters en het DNA? Het begint met je DNA. Dat bestaat uit lange dubbele strengen die opgebouwd zijn uit vier verschillende groepen atomen. De namen van die vier beginnen met de letters A, C, T en G. Dat zijn de letters die onderzoekers gebruiken als ze het DNA van een organisme als een bacterie beschrijven. Een gen is niets anders dan een stuk van het DNA, en dus een aantal letters. Er zijn genen van niet veel meer dan honderd letters, en er zijn genen die uit vele duizenden opeenvolgende A’s, C’s, T’s en G’s bestaan. Elke cel bevat minuscule onderdelen die die letters kunnen ‘lezen’. Waarom? Om eiwitten te kunnen bouwen, en eiwitten regelen alles in een lichaam. Ze brengen je erfelijke kenmerken tot uitdrukking. Of jij krullend haar hebt bijvoorbeeld, of groene ogen. Genen die ogen groen kleuren, hebben een andere lettervolgorde dan de genen die je ogen bruin maken. Daardoor zijn de bijbehorende eiwitten verschillend gebouwd en zorgen ze voor verschillende eigenschappen. Poepbacterie vormt letter De ‘poepbacterie’ Escherichia coli is de best bestudeerde eencellige ter wereld. Als je deze darmbewoner in een piepkleine mal stopt, kun je hem allerlei verschillende vormen laten aannemen. Nanowetenschapper Cees Dekker van de TU Delft maakte jaren terug al een E. coli in de vorm van een pannenkoek, en presenteerde in juni 2015 nieuwe vormexperimenten met deze bacteriën. Hij stopte ze in piepkleine mallen in allerlei vormen en schakelde met een soort antibiotica de celdeling uit. De bacteriën bleven net zo lang doorgroeien tot ze twintig keer zo groot waren als normaal. Zo vulden ze de hele mallen en veranderden ze in vierkante, driehoekige of ronde bacteriën. Dekker kweekte zelfs exemplaren in de vorm van de letters ‘TUDELFT’. Niet om reclame te maken, maar om de bewegingen te volgen van Min-eiwitten. Die zijn cruciaal voor de celdeling, die in het midden van de cel moet plaatsvinden. Ze ‘zwemmen’ elke minuut van het ene naar het andere uiteinde van de cel. Omdat de eiwitten die de celdeling in gang zetten zo ver mogelijk van deze Min-eiwitten willen blijven, groeperen ze zover mogelijk van beide uiteindes vandaan, dus precies in het midden van de cel. En of een E. coli nu de vorm van een staaf heeft of van een letter: deze eiwitten blijven in hetzelfde tempo heen en weer gaan. Zo blijven de ‘deeleiwitten’ altijd in het midden, hoe vierkant of driehoekig de cel ook is. Kip of ei? Wat was er eerder: de kip of het ei? Het ontstaan van het leven draait om een vergelijkbare vraag. Niet over kippen en eieren, maar over genetische structuren en eiwit. Levende cellen bevatten genetische informatie, opgeslagen in het DNA of RNA. Deze genen leveren bouwinstructies voor eiwitten, terwijl een deel van die eiwitten ook nodig zijn om DNA en RNA te maken. Verder bestaat het omhulsel van een cel uit lipiden (vetachtige stoffen). Toen de aarde net gevormd was, waren er geen genen, eiwitten en lipiden beschikbaar. Maar wel waterstofcyanide, dat met komeetinslagen de aarde bereikte, en het vulkaangas waterstofsulfide. Via een serie chemische reacties kunnen daaruit belangrijke bouwstenen voor RNA ontstaan. Die beschreef de Britse chemicus John Sutherland van University of Cambridge in maart 2015. Tussen de komeetinslagen en vulkaanuitbarstingen op de jonge aarde ontstonden ook lipiden en de bouwstenen voor eiwitten. Het voorlopige antwoord op deze kip-of-ei-vraag: genetisch materiaal en eiwitten ontstonden niet na elkaar, maar ongeveer gelijktijdig. Moeite met scheppers Niet iedereen is blij met genetische ingrepen in levende wezens. In de jaren negentig maakten de transgene stier Herman en het gekloonde schaap Dolly protesten los. En niet alleen van gelovigen, die vinden dat alleen God mag scheppen, ook van Greenpeace, dat genetisch modificeren riskant vindt. De biotechnologie die bij Herman en Dolly werd gebruikt is in veel opzichten minder ingrijpend dan de synthetische biologie. Want dat vakgebied wil geen bestaande levensvormen veranderen, het is bedoeling om compleet nieuwe wezens creëren. ‘Synthetisch biologen werken op de grens tussen leven en dood, tussen natuurlijk en kunstmatig en tussen organisme en voorwerp’, zegt Virgil Rerimassie van het Rathenau Instituut, dat maatschappelijke gevolgen van technische ontwikkelingen onderzoekt. ‘Als je zelf levende cellen in elkaar zet, schop je deze orde in de war. En dat geeft sommige mensen een gevoel van onbehagen.’ Christelijke politieke partijen als het CDA en de SGP houden er in elk geval niet van. Maar het geloof is niet voor iedereen een reden om er tegen te zijn, zegt Rerimassie. ‘Sommige synthetisch biologen, onder wie Cees Dekker, zijn zelf religieus.’ Nu is er nog nauwelijks discussie over synthetische biologie, daarvoor is het vakgebied nog te nieuw en te onbekend. Maar als de technologie vordert, is er dikke kans dat er protesten los komen. Vooral als er wezens met een hoger bewustzijn gemaakt gaan worden. Rerimassie: ‘Aaibare dieren liggen maatschappelijk gevoeliger