Genoomtransplantatie

Sander Voormolen 30 JUNI 2007 NRC

Onderzoekers vervangen de complete identiteit van een bacterie

Amerikaanse biologen hebben het complete genoom van een bacterie getransplanteerd naar een andere soort. Het is een doorbraak op de weg naar synthetische organismen.

Sander Voormolen

Foto-onderschrift: Blauwe kolonies van mycoplasmas die een paar dagen ervoor een genoomtransplantatie hebben ondergaan. Het oorspronkelijke genoom van de gastheer is vervangen door dat van de donor. De identiteit van de bacterie wordt nu gedicteerd door het donorgenoom. De proef is een belangrijke doorbraak op weg naar synthetische organismen.

De verandering van identiteit is totaal; de bacterie Mycoplasma capricolum heeft in het laboratorium het complete genoom gekregen van de verwante soort Mycoplasma mycoides. Het donorgenoom heeft de cel compleet overgenomen; alle eiwitten in de cel zijn nu van Mycoplasma mycoides. Amerikaanse biologen van het J. Craig Venter Institute in Rockville, Maryland slaagden er als eersten in het originele DNA te vervangen door de complete genetische code van een ander organisme (Science, online, 28 juni).

Het team onder leiding van genoomonderzoeker Craig Venter getroostte zich veel moeite om het donorgenoom als een intact cirkelvormig chromosoom uit een donorbacterie in handen te krijgen. Voorzichtig behandelden zij daartoe Mycoplasma mycoides met zachte zepen en enzymen die de eiwitten en RNAs uit de cel afbraken. Verschillende controles lieten zien dat zij zo inderdaad alleen het kale DNA overhielden.

Tijdens een telefonische persconferentie afgelopen donderdag lichtte Venter toe waarom dit zo gedaan was: Ons doel is om op deze manier een kunstmatig chromosoom in een bacterie te brengen om zo een volledig synthetische bacterie te maken. Dit kunstmatige chromosoom is naakt DNA. Dit experiment bewijst dat er geen extra eiwitten nodig zijn om het donorgenoom in de ontvangende cel te laten werken. Dat is voor ons een enorme meevaller, want het had ons anders veel tijd gekost om de essentiŽle eiwitten te vinden.

Na een voorbehandeling kregen de ontvangende cellen van Mycobacterium capricolum het naakte DNA-molecuul uit M. mycoides toegediend. De onderzoekers lieten de resulterende bacteriŽn delen op kweekschaaltjes waaraan een antibioticum was toegevoegd. Na drie dagen ontstonden grote blauwe kolonies. Dat was een eerste bewijs dat het donorgenoom actief was, want daarin was vooraf een blauwe merker ingebouwd. Door het gen voor antibioticumresistentie konden alleen cellen met het donorgenoom overleven op de kweekbodem waaraan antibioticum was toegevoegd.

Tests wezen uit dat bacteriŽn uit de blauwe kolonies inderdaad volledig genetisch identiek waren aan M. mycoides en dat er geen sporen van het gastheergenoom aantoonbaar waren. Ook de buitenkant van de cel was van identiteit veranderd. Antilichamen tegen oppervlakte-eiwitten van M. mycoides reageerden wel maar die tegen eiwitten van M. capricolum niet. Met een techniek waarmee alle eiwitten die een cel produceert in een kenmerkend tweedimensionaal vlekkenpatroon wordt weergegeven, bleek hetzelfde: de gastheer heeft door de ingreep de volledige identiteit van de donor gekregen.

Wel merken de onderzoekers op dat er af en toe, ook na tien dagen nog, kleinere kolonies opkwamen die zowel blauw als wit waren. Dit is een aanwijzing dat er recombinatie tussen beide genomen is opgetreden, waarbij het antibioticumresistentiegen naar het gastheergenoom is overgesprongen. Maar de onderzoekers verzuimen in het Science-artikel verder uit te zoeken hoe dat zit. Ze zijn tevreden met het feit dat de transplantatie in de blauwe kolonies wel helemaal is geslaagd.

En er zit nog een onbegrepen stap in de procedure. Vlak na de transplantatie moet er een moment zijn waarop de gastheerorganismen twee genomen bezitten. Hoe het nu precies kan dat het genoom van M. capricolum verdwijnt en dat van M. mycoides overleeft is nog niet duidelijk. Een mogelijkheid is dat de cel met het dubbele genoom zich splitst in twee dochtercellen, ieder met een eigen genoom. Alleen de dochter met antibioticumresistentie (dus met het genoom van M. mycoides) zal overleven door de aanwezigheid van een antibioticum in de kweekbodem.

Hamilton Smith, een van de senior-onderzoekers in het project, opperde tijdens de persbriefing nog een tweede mogelijkheid: Veel bacteriŽn hebben een afweermechanisme op basis van restrictie-enzymen die vreemde DNA-moleculen in stukken knippen. Het zou kunnen dat het donorgenoom voor restrictie-enzymen codeert die het gastheergenoom hebben opgeruimd.

Craig Venter en zijn medewerkers hebben zich tot doel gesteld als eerste een geheel synthetische bacterie te bouwen. Onlangs vroeg het Venter Institute octrooi aan op de technologie die daarvoor nodig is, en waarvan de genoomtransplantatie een onderdeel is. Venter streeft naar het kweken van een efficiŽnt organisme dat kan worden ingezet voor de productie van biobrandstoffen of de vastlegging van CO2.

Aan de telefoon licht Venter toe waarom dat volgens hem een revolutie is: Bijvoorbeeld het chemiebedrijf DuPont werkt al jaren aan de veredeling van E. coli, die ze uit suikers brandstoffen zoals propaandiol proberen te laten maken. Ze zijn voordurend bezig geweest stofwisselingsroutes van deze bacterie af te sluiten om te voorkomen dat er energie weg lekt die niet ten goede kwam aan de productie. Wij gaan het heel anders doen en bouwen van de grond af een nieuwe bacterie op. Ons doel is een bacterie van een echt intellectueel ontwerp. Wij hoeven ons dan niet bezig te houden met het afsluiten van stofwisselingsroutes.

Bovendien hebben we door deze benadering een veel grotere vrijheid. Er komt een veel groter arsenaal aan brandstoffen in beeld, waaronder echte designer fuels. De eerste toepassingen zullen we zeker binnen tien jaar klaar hebben, maar wellicht zelfs in de helft van die tijd.

En er is nog een voordeel, legt Venter uit: BacteriŽn hebben van nature de neiging om zich voortdurend aan te passen, ze evolueren soms zelfs in het tijdsbestek van uren, bijvoorbeeld ziekteverwekkers die zo het immuunsysteem omzeilen. Als je met bacteriŽn miljarden liters brandstof wil produceren, heb je dat liever niet. Met synthetische bacteriŽn hopen we een systeem te krijgen dat niet uit zichzelf evolueert.

Op dit moment werken de onderzoekers van het Venter Institute aan het opbouwen van een kunstmatig chromosoom naar model van het minimale genoom van Mycoplasma genitalum. In een eerder onderzoek hebben zij zon honderd van de in totaal vijfhonderd genen van deze bacterie uitgeschakeld zonder dat dit de overleving van de bacterie in gevaar bracht.

De volgende stap is nu om het synthetische opgebouwde minimale genoom te transplanteren. Volgens Venter is die stap niet ver meer weg. Dan zal voor het eerst een geheel synthetische bacterie zijn ontstaan: Mycoplasma laboratorium.

Ons streven is een intellectueel ontworpen bacterie