De bacterie van Frankenstein

Sander Voormolen

AMERIKANEN WERKEN HARD AAN ZELFGEMAAKT LEVEN

21 DECEMBER 2002 NRC Onderzoekers in de VS beginnen aan een ambitieus project waarin ze uit losse moleculen leven willen opbouwen. Het experiment ligt tegen de grens van het technisch haalbare. In 2010 kan de kunst- bacterie werkelijkheid zijn.

De Amerikaanse genenjager J. Craig Venter die de complete DNA-volgorde van tientallen organismen waaronder de mens heeft ontcijferd, heeft nu een nieuwe uitdaging gevonden: het eigenhandig en van de grond af aan opbouwen van een bacterie. De bouwtekening heeft hij al. Nu gaat het erom de bouwstenen van het DNA de nucleotiden A, T, G en C in de juiste volgorde aan elkaar te zetten.

Venter heeft zijn nieuwe project ondergebracht in het door hem opgerichte Institute for Biological Energy Alternatives (IBEA). Vorige maand kreeg dit instituut een driejarige subsidie van 3 miljoen dollar van het Amerikaanse ministerie van Energie DOE om een synthetische bacterie te maken. Er werken nu tien mensen aan het project, maar het team zal nog tot vijfentwintig medewerkers worden uitgebreid.

De kunstbacterie die de Amerikaan wil maken is afgeleid van de natuurlijke bacterie Mycoplasma genitalium. Al zeven jaar geleden ontcijferden Venter en zijn team bij The Institute of Genomic Research (TIGR) het complete genoom van deze bacterie (Science, 20 oktober 1995). In een vervolgonderzoek berekenden zij dat er nog een flink aantal overbodige genen in het genoom van Mycoplasma zitten. In de kunstbacterie zullen de onderzoekers die overbodige genen weglaten. Zij hebben berekend dat het leven zich met rond 300 genen moet kunnen bedruipen.

Venter en zijn team zullen deze 300 essentiŽle genen namaken in DNA-synthesizers, machines die nauwkeurig stukken DNA kunnen maken volgens een vooraf ingeprogrammeerde nucleotidenvolgorde. Die stukken brengen de onderzoekers een voor een, en in de juiste volgorde in een cirkelvormig kunstchromosoom. Dat chromosoom, dat het `minimale genoom' van de Mycoplasma-bacterie bevat, zal dan worden overgebracht naar een bacteriecel waaruit vooraf al het eigen DNA is verwijderd. De hoop is dan dat het gastgenoom zich kan handhaven in deze cel en de biologische functies overneemt.

Getrimd genoom

Als dat lukt, proberen de onderzoekers het kunstchromosoom verder te snoeien door er proefondervindelijk meer genen uit te knippen. Met dit getrimde minimale genoom als basis verrijken zij vervolgens de kunstmatige chromosomen met extra genen die een gewenste functie moeten toevoegen. Dat kunnen genen zijn voor enzymen die bepaalde milieuverontreinigingen afbreken, genen die voor medicinale eiwitten coderen, of genen voor enzymen die uit organisch materiaal waterstofgas produceren, een schone brandstof. De functionele, geheel door de mens ontworpen bacterie is dan geboren; een organisme dat nooit eerder heeft bestaan
.

De eerste stap in de richting van het designer-leven is al gezet. Deze zomer veroorzaakte microbioloog Eckard Wimmer van de New York State University in Stony Brook grote opschudding met een publicatie in Science (9 augustus 2002) waarin hij beschreef hoe zijn team met enig geavanceerd genetisch knip- en plakwerk een kunstmatig poliovirus had gemaakt. Dit van grond af opgebouwde virus bleek in muizen verlammingsverschijnselen te veroorzaken, net als het natuurlijke poliovirus zou doen. Sommige dieren gingen er zelfs aan dood.

Had Wimmer leven geschapen? Wimmer zelf karakteriseerde het synthetische virus niet als leven, maar als een `chemische stof' die zichzelf kan vermenigvuldigen. Om zijn argument kracht bij te zetten, gaf hij in het Science-artikel de chemische formule van het poliovirus: CHNOPS.

De filosofische vraag `Wat is leven?' dient zich aan. De meeste biologen houden het erop dat leven een entiteit is die zelfstandig kan groeien en zich kan voortplanten. Een virus valt buiten die definitie omdat het altijd de cellulaire machinerie van een levende cel moet kapen om zich te vermenigvuldigen. De vraag is of de kunstbacterie van Venter onder de definitie `leven' valt. Alleen als deze bacterie zich zelfstandig kan vermenigvuldigen, is de communis opinio, maar dat kan alleen een praktijk-experiment uitwijzen. In de opzet zoals Venter die nu heeft gepresenteerd, maakt de kunstbacterie overigens nog wel gebruik van een donorcel, die onder meer het plasmamembraan en de eiwitproducerende ribosomen levert. Als die cel leeft, is hij in ieder geval niet geheel kunstmatig uit losse chemische componenten opgebouwd.

Los van de semantische discussie of deze experimenten leven scheppen of niet, wekken ze grote zorg over mogelijk misbruik als biologisch wapen. Voor het eerst was aangetoond dat het mogelijk is om in het laboratorium vanuit een letter voor letter uitgeschreven genetische code een gevaarlijk virus na te bouwen. Databanken van de genomen van talloze levensgevaarlijke ziekteverwekkers (waaronder het pokken-, ebola- en marburgvirus en de pestbacterie Yersinia pestis) zijn via internet voor iedereen toegankelijk.

Dat geeft een geheel nieuwe dimensie aan hoe de verspreiding en het mogelijke gebruik van biologische strijdmiddelen in de wereld gecontroleerd kan worden. Waar dodelijke virus- en bacteriestammen tot nu toe zorgvuldig achter slot en grendel bewaard werden, is het nu in principe mogelijk diezelfde stammen zelf na te bouwen. Er komt natuurlijk nog wel wat laboratoriumvaardigheid en moleculaire kennis bij kijken, maar in principe wijzen de Amerikanen nu de weg om op een nieuwe manier aan biologische wapens te komen.

Dat sinistere tintje werd nog eens versterkt doordat later bleek dat het onderzoek gefinancierd werd door het Pentagon. Het Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA) betaalde het lab van Wimmer in de afgelopen drie jaar 300.000 dollar voor de uitvoering van het onderzoek. Craig Venter was vervolgens een van de eersten die Wimmer fel bekritiseerde omdat hij `het recept voor bioterroristen' openlijk publiceerde. Maar, verdedigde Wimmer zich, het is nog altijd veel makkelijker een bestaand virus in handen te krijgen dan er met veel geld, moeite en geduld een zelf te maken in het laboratorium.

Het RNA van Wimmers synthetische poliovirus bestond uit 7741 moleculaire bouwstenen. Het kostte ruim twee jaar moeizaam laboratoriumwerk om het virusgenoom uit stukjes DNA op te bouwen. In augustus achtten deskundigen het nog onmogelijk om op dezelfde wijze het pokkenvirus vanaf een basenvolgorde te maken. Dit virus is namelijk ruim twintig keer zo groot als het poliovirus. Maar nu Venter zijn plannen voor de constructie van een nog veel groter genoom heeft bekendgemaakt, lijkt ook dat binnen handbereik.

Venter, ook niet gek, liet in 1999 alvast een religieus-ethische commissie van deskundigen oordelen over een mogelijk experiment waarbij een bacterie van nul af opgebouwd zou worden. Hun conclusie die zij in december van dat jaar publiceerden was verrassend: ``Het vooruitzicht dat de mens straks in staat is om minimale of nieuwe genomen in elkaar te zetten, overtreedt geen fundamentele morele uitgangspunten of grenzen.'' Zij vonden het geheel construeren van een bacterie niet wezenlijk anders dan nieuwe genen bij een bestaand organisme inbrengen, zoals bij genetische manipulatie gebeurt. Wel waarschuwde de commissie tegen misbruik van de techniek. ``Het mag niet zo zijn dat hierdoor nieuwe ziekteverwekkende organismen geschapen worden of dat synthetische cellen de cellen in de vrije natuur verdringen.''

Dat gaf Venter groen licht, maar pas nadat hij zijn bedrijf Celera Genomics had verlaten en op zoek ging naar een nieuwe uitdaging, kwam dit oude plan weer uit de kast. Om te bepalen in hoeverre zelfs het minimale genoom van Mycoplasma nog `overbodige' genen bevatte, liet het team van Venter transposons (springende genen) willekeurig de genen van Mycoplasma verstoren (Science, 10 december 1999). Een gen waarin een transposon terecht is gekomen werkt hoogstwaarschijnlijk niet goed meer. En als dat een essentieel gen is, gaat de bacterie dood. Na een tijdje doorkweken analyseerden de onderzoekers in welke genen transposons zaten. Deze verstoorde genen waren waarschijnlijk niet essentieel en konden verwijderd.

Verder uitgekleed

Op die manier schatte het team van Venter het aantal niet-essentiŽle genen van Mycoplasma op 180 tot 215. Het aantal essentiŽle Mycoplasma-genen ligt daarmee tussen de 265 en 350 genen, waarvan honderd met een nog onbekende functie. Met andere woorden: het minimale genoom van Mycoplasma, zou nog verder uitgekleed kunnen worden tot driekwart of bijna de helft van het oorspronkelijke genoom.

Eerder berekenden de Amerikaanse moleculair biologen Arcady Mushegian en Eugene Koonin van het National Center for Biotechnology Information de omvang van een hypothetisch minimaal genoom. Zij bepaalden dat er ongeveer 250 genen overeenkomstig waren in de enige twee micro-organismen waarvan op dat moment de volledige genoomvolgorde bekend was, Haemophilus influenzae en Mycoplasma genitalium (Proceedings of the National Academy of Sciences, september 1996). Deze twee bacteriesoorten liggen evolutionair ver uiteen (ze splitsten 1500 miljoen jaar geleden in aparte lijnen). Mushegian en Koonin redeneerden dat als een gen in beide bacteriesoorten bewaard was gebleven, het een essentiŽle functie moest hebben. Het hypothetische minimale genoom kwam daarmee dus op 250 genen.

Maar hoe klein een minimaal genoom daadwerkelijk kan zijn is alleen maar te bepalen door er een te maken. Een van de vragen is of de experimenteel geÔdentificeerde niet-essentiŽle genen wel zo onmisbaar zullen blijken. Een bacterie zonder een bepaald DNA-reparatie-enzym kan prima overleven. Maar naarmate spontane mutaties zich in de loop van de generaties gaan ophopen, kunnen deze de bacterie steeds meer parten gaan spelen. Zo zeer zelfs dat het reparatie-enzym uiteindelijk onmisbaar blijkt voor het overleven van de soort.

De minimale genenset zoals Venter die nu hanteert is daarnaast waarschijnlijk niet universeel, zelfs niet voor organismen die in een zeer vergelijkbaar milieu leven. Dat blijkt ondermeer uit een publicatie waarin onderzoekers de opheldering van een derde Mycoplasma-genoom beschrijven: Ureaplasma urealyticum (Nature, 12 oktober 2000). Deze bacterie heeft weliswaar genen die voor het grootste deel verwant zijn aan de essentiŽle genen van Mycoplasma genitalium, maar hij mist genen voor bepaalde eiwitten die wel terug te vinden zijn bij alle genomen van micro-organismen die tot nu toe gesequenced zijn. Ook zijn er in het genoom van Ureaplasma belangrijke stofwisselingsgenen verloren gegaan, die waarschijnlijk vervangen worden door een genenset die de ongebruikelijke ureumstofwisseling reguleren.

De bacterie Buchnera aphidicola die voorkomt in de cellen van een bladluis, heeft ook een minimaal genoom (564 genen) dat weer anders is samengesteld. Volgens Scott Peterson, een medewerker van Venter, heeft het dan ook geen enkele betekenis om een gen essentieel of onmisbaar te noemen als men er niet bij vermeldt onder welke milieu- of groeiomstandigheden de indeling geldt. Bovendien kunnen er in andere organismen nÚg economischer oplossingen bestaan voor het aansturen van celprocessen dan er nu in het genoom van Mycoplasma genitalium bestaan. Dan zou het leven met nog minder genen toe kunnen.

Een minimaal genoom is slechts een theoretische constructie, schrijft Peterson in Genome Biology (8 februari 2001). Een organisme met een werkelijk minimaal genoom kan alleen bestaan in een omgeving waar geen selectiedruk bestaat, en die is in de vrije natuur niet te vinden.

Slappe zakjes

Wetenschappers zijn verdeeld over de slaagkansen van de futuristische onderneming van Venter. Jaap van der Waarde, milieubiotechnoloog bij het Groningse bedrijf Bioclear, zegt: ``Het doet mij denken aan de pogingen om menselijk kunstbloed te maken. Lang geleden dacht men dat zoiets haalbaar zou zijn, maar dat blijkt toch veel complexer dan gedacht.''

Zo zal het met het bouwen van een synthetische cel ook gaan, verwacht Van der Waarde: ``Venter zal er waarschijnlijk wel in slagen om het beestje in elkaar te draaien, maar ik verwacht niet dat het zich ook gaat vermenigvuldigen. Op zijn best krijg je een soort slappe zakjes die als een biochemisch fabriekje kunnen werken. Het kunnen heel efficiŽnte machientjes zijn, bruikbaar voor de biologische productie van geneesmiddelen en fijnchemicaliŽn. Maar op den duur werken zij zichzelf om zeep. Ze zullen zich niet kunnen repliceren, want dat doet een bacterie pas als alles goed werkt. En het zal lastig zijn om te zeggen waarom dat niet lukt; we weten nog lang niet alles van de genenregulatie.''

Bij de milieutoepassingen die Venter voorspiegelt heeft Van der Waarde twijfels: ``Hij weet het prima te verkopen. Maar ik heb nog nooit gehoord dat Mycoplasma werd ingezet voor milieudoeleinden. Dat zijn meestal heel andere bacteriŽn. Venters keuze is meer ingegeven door de praktische haalbaarheid. Ik denk niet dat zo'n minimale-genoom-bacterie beter een bodem reinigt of water zuivert dan een natuurlijk organisme. Voor de biokatalyse zie ik wel goede kansen. Het is wetenschappelijk natuurlijk een zeer interessante exercitie. Als het lukt uit chemicaliŽn een levend organisme te maken, hebben we het mysterie van het leven onder de knie. Dat is toch een beetje voor god spelen. Het zou een enorme doorbraak zijn.'' Enkele Amerikaanse biologen laten zich per email positiever uit over de kans van slagen. Zo denkt Eugene Koonin van het National Center for Biotechnology Information dat de synthetische bacterie van Venter ``met wat geluk over vijf jaar en 5 miljoen dollar een feit is. Dat is wel de ondergrens.''

Ook Harold Morowitz van de George Mason University in Fairfax, Virginia denkt dat het binnen afzienbare tijd zal lukken. Morowitz was in de jaren vijftig de eerste die Mycoplasma onderkende als organisme met een minimaal genoom. Dat was lang voordat er iets bekend was over de genen van deze bacterie. Maar uit de afhankelijkheid van zoveel complexe bouw- en voedingsstoffen leidde Morowitz af dat het organisme genetisch veel kleiner moest zijn dan andere bacteriŽn. Zijn gelijk werd bewezen.

Morowitz tekent overigens aan dat het plaatsen van een synthetisch chromosoom in een leeggemaakte Mycoplasma-cel nog maar de helft van het kunstje is. De niet-genetische componenten worden in de plannen van Venter nog `geleend' van de natuurlijk bacterie. ``We zullen nog meer te weten moeten zien te komen over de structuur van de celmembraan en de ribosomen en over hoe eiwitten zich precies vouwen. Dat is nog een hele opgave'', aldus Morowitz.

Morele bezwaren heeft hij niet, om pragmatische redenen: ``Als het technisch mogelijk is dan zal het altijd wel ergens door iemand gedaan worden. De ethiek moet zitten in de toepassingen. Zeer onethische ontbladeringsmiddelen begonnen ooit als plantenhormonen.''

Komt Venters bacterie tot leven, dan schudt biologie op haar grondvesten. Uitsterven, om maar iets te noemen, is dan een administratief foutje geworden. Wanneer immers de genetische code van een soort nog ergens in de computer zit, is het beest altijd weer tot leven te wekken. De DNA-code is dan het recept voor een levensvorm.

Een kreupel celletje De bacterie Mycoplasma genitalium kan niet leven als hij niet continu `aan het infuus' ligt. Tijdens de evolutie naar een parasitaire levensstijl is de bacterie, die leeft in de slijmlaag van de menselijke geslachtsopeningen, zeer afhankelijk van zijn gastheer geworden. Uit zijn omgeving betrekt hij tal van bouw- en voedingstoffen. De genen die voor een zelfstandige aanmaak van die stoffen nodig zijn, gingen in de loop van de evolutie verloren. Mycoplasma mist bijvoorbeeld de tientallen genen voor de enzymen die nodig zijn om de twintig aminozuren op te bouwen. Aminozuren zijn op hun beurt weer de bouwstenen van eiwitten. Die kan de bacterie dus niet zelf maken. Veel genen voor de opbouw van een celwand zijn verdwenen. En ook de genen die bepaalde enzymen voor de citroenzuurcyclus coderen (in vrijwel alle andere organismen een cruciaal onderdeel van de stofwisseling) ontbreken in het Mycoplasma-genoom. Door de tientallen voedingstoffen die M. genitalium in zijn groeimedium vereist is hij maar lastig te kweken. De bacterie groeit slechts langzaam doordat hij zich maar eens in de twaalf uur deelt. De cellen zijn zeer klein en daarnaast erg grillig van vorm omdat ze een rigide celwand missen. Doordat er grote hoeveelheden genetisch materiaal zijn afgestoten is het genoom van Mycoplasma genitalium zeer klein. Het bestaat uit 580.074 basenparen en telt 517 genen (480 eiwitgenen en 37 RNA-genen), alle gelegen op het enkele cirkelvormige chromosoom van de bacterie. Ter vergelijking: het genoom van de bekende darmbacterie Escherichia coli is met ruim 4,6 miljoen basenparen wel acht keer zo groot. Mycoplasma genitalium onlangs van de troon gestoten als het organisme met het kleinste genoom. Microbiologen van de Universiteit van Regensburg identificeerden het micro-organisme Nanoarchaeum equitans, met een genoom dat slechts een half miljoen basenparen telt (Nature, 2 mei 2002). Dat is toch al weer 80.000 minder dan de kleinste Mycoplasma. Hoeveel genen Nanoarchaeum herbergt, is nog niet vastgesteld.




Info: Institute for Biological Energy Alternatives: www.bioenergyalts.org The Institute for Genomic Research: www.tigr.org
Onderschrift: De exacte basenvolgorde van de genen van Mycoplasma genitalium die in 1995 ontcijferd werd, levert de blauwdruk voor een nieuwe synthetische bacterie. Overbodige genen zullen worden weggelaten. Mycoplasma-bacterin hebben een zeer grillige vorm doordat een externe celwand ontbreekt. NRC Handelsblad 211202 Bron: Science