genetica

Met de "evolutiemachine" kreeg een groepje onderzoekers in enkele dagen voor elkaar wat anders jaren onderzoek vergt.

Machine versnelt evolutie

Stel je voor: je gooit een bacterie in een bak met chemisch afval en voor je het weet, is deze geëvolueerd tot een soort die zelfs de giftigste stoffen af kan breken. Of het ontwikkelen van plantensoorten die tegen extreme droogte kunnen. Of op Mars kunnen groeien. Kortom: zou het niet handig zijn om evolutie veel sneller te laten verlopen? Laten onderzoekers nu net iets dergelijks hebben uitgevonden. Althans, iets dat aardig in de buurt komt…

De evolutiemachine

Met de "evolutiemachine" kreeg een groepje onderzoekers in enkele dagen voor elkaar wat anders jaren onderzoek vergt.
Met de "evolutiemachine" kreeg een groepje onderzoekers in enkele dagen voor elkaar wat anders jaren onderzoek vergt.

De machine ziet er uit als een vreemd samenraapsel van flesjes en robotarmen, die af en aan bewegen om vloeistoffen van het ene reservoir in het andere te pipetteren. Het hele apparaat worden bestuurd door een standaard pc. Dr. Frankenstein zou waarschijnlijk erg trots zijn op een dergelijk apparaat.

Toch bedriegt de schijn. Dit apparaat is namelijk in staat in dagen te bereiken wat genetische ingenieurs jaren kost. Dit apparaat is maar een prototype, maar als de voorstanders van het apparaat moeten worden geloofd, zullen toekomstige versies de biologie zoals we die kennen op hun kop zetten. Of zelfs de mens.

Veel medicijnen, grondstoffen voor kleding en ook steeds meer voedingsmiddelen zijn afkomstig van genetisch gemanipuleerde organismen. In deze organismen zijn doorgaans maar een of twee genen veranderd. Zelfs dát kost genetische ingenieurs jaren om dat voor elkaar te krijgen. Voor het echte werk – organismen radicaal wijzigen, zodat er totaal nieuwe organismen ontstaan – moeten tientallen genen tegelijk gewijzigd worden. Het vervelende is dat genen doorgaans niet 1:1 coderen voor gewenste eigenschappen. Genen als Hox-1, waarbij meerdere kopieën betekent: meerdere stellen poten, zijn een uitzondering. Genen reageren ook op elkaar – als een eiwit van vorm en functie verandert, heeft dat uiteraard ook gevolgen voor andere eiwitten waar het mee samenwerkt.

Een voorbeeld. Een gistcel zo ombouwen dat deze het anti-malariamedicijn arteminisine produceert, betekende vijfentwintig miljoen dollar investeringen en honderdvijftig manjaren werk om een dozijn genen op elkaar af te stemmen[1]. Kortom: dit ligt ver buiten bereik van menselijke onderzoekers. Tijd dus voor een andere oplossingsrichting.

Blokkendoos met genen
Veel biologen denken dat het antwoord is: bibliotheken van kant-en-klare genetische componenten die zich op een betrouwbare wijze moeten gedragen (dus niet door andere genen beïnvloed worden op een onvoorspelbare manier), als ze samen worden gevoegd in biologische circuits. Deze techniek wordt al met veel succes toegepast bij het ontwikkelen van software. Het web publishing pakket WordPress waar Visionair.nl op draait,, bijvoorbeeld, is opgebouwd uit plugins, modules PHP-code die gecombineerd kunnen worden en waarvan het gedrag bekend is.

Evolutionaire benadering
George Church, een geneticus verbonden aan Harvard Medical School in Boston kiest echter een evolutionaire strategie. Hij stelt een ruwe versie van het gen samen en laat zijn apparaat door evolutie, door trial and errror dus, een zo goed mogelijk werkende variant van de genen vinden. Het apparaat creëert veel varianten van het gen (en gencombinaties) en test uit welke het beste werken. Het apparaat kan dat veel sneller dan een mens.

De evolutionaire benadering wordt al vaker gebruikt, maar Church’s apparaat is extreem snel. Het is in staat met duizenden genen tegelijk te experimenteren en kan miljarden nieuwe bacterievarianten per dag produceren. Duizenden genen is veel – de mens heeft er bijvoorbeeld 23.000 – en komt dus al aardig in de buurt van wat nodig is om een compleet mens genetisch te re-engineeren. Een collega beschrijft het proces als “sterk doelgerichte evolutie”. De genen worden in de bacterieën ingebracht door een elektrische schok. Virusproteïnen zorgen er vervolgens voor dat de bacteriën de genen niet als “vreemd” zien.

De onderzoekers kregen met de door student Harris Wang gebouwde evolutionaire machine in enkele dagen voor elkaar[4] wat de biotechnologische industrie enkele jaren kostte: het vervijfvoudigen van de productie van lycopeen. [3]. Wang herhaalde dit met indigo, wat al bewijst dat dit geen toevalstreffer was.
Church en zijn team willen hun machine 0p de markt brengen voor ongeveer negentigduizend dollar (ongeveer zeventigduizend euro) , zodat het apparaat ook voor de kleinere bedrijven en onderzoeksinstellingen betaalbaar is.

Bronnen
1. Synthetic yeast to brew up vital malaria drug, New Scientist (2008)
2. Architects of Life, Forbes Magazine (2006)
3. Kim et al., High-level production of lycopene in metabolically engineered E. coli, Process Biochemistry (2009)
4. Harris H. Wang et al.,Programming cells by multiplex genome engineering and accelerated evolution (2009)

 

Vind je je aquarium veel te saai? Hack dan je eigen vis.

Bio-hackers: aan DNA knutselen in je garagebox

Na open-source tekst, muziek en software komt er nu ook open-source DNA. De biohackers beweging wil genetische manipulatie ook voor het grote publiek bereikbaar maken. Eindelijk gratis medicijnen?

Bits, bytes en DNA als digitale informatie
Sinds Watson en Crick in 1953 de genetische code ontdekten, weten we dat bits en bytes niet alleen in computers voorkomen, maar dat ook ons DNA veel weg heeft van een digitale code. Waar een computer alleen nullen en enen onthoudt, werkt ons DNA met vier chemische ‘letters’ , de basen adenine, guanine, cytosine en thymine, waarbij een adenine-molecuul altijd tegenover guanine zit en cytosine tegenover thymine. Deze letters worden vertaald in RNA, dat vervolgens door een ribosoom, een eiwitfabriekje, met drie ‘letters’ tegelijk wordt afgelezen en vertaald in een keten van aminozuren: het eiwit.

Alle eigenschappen van eiwitten worden bepaald door de aminozuurvolgorde, hoewel eiwitten zich op een zeer ingewikkelde en nauwelijks te voorspellen manier vouwen en vaak ook niet-eiwitgroepen, denk aan metaalionen, vitaminen of suikers, aan het eiwit worden gehecht. Kortom: DNA bevat een compleet programma, een bouwdruk van alle eiwitten in ons lichaam.

Knutselen met DNA op je computer
Het is dus in principe mogelijk DNA-informatie op je computer te bewerken, te knippen en te plakken. Stel, je wilt van een bepaalde tulp de kleur veranderen door een bepaald pigment toe te voegen. Je weet dat dat pigment wordt geproduceerd door een purperslak. Dan vervang je op je computer de DNA-code van een bestaand pigment door het enzym van de purperslak, stuurt de gewijzigde DNA-code naar een DNA-assembler  en ziedaar, je nieuwe paarse tulp. Voor organismen met chromosomen (zoals planten, dieren en mensen) zitten hier nog de nodige haken en ogen aan (hoewel het technisch wel mogelijk is en ook geregeld gedaan wordt), maar voor bacteriën is dit routinewerk. Bacteriën werken namelijk met plasmiden, losse DNA-ringen die vrij makkelijk uitgewisseld kunnen worden (en dus ook aan een bacterie toegevoegd kunnen worden). Als je je gewijzigde DNA-code naar een gespecialiseerd bedrijf opstuurt, sturen zij de bacterie terug waar je je DNA in hebt laten bouwen.

Je zou dus bij wijze van spreken het complete menselijke genoom (alle DNA) op een harde schijf of CD-ROM (of een sleutelhanger met een USB stick) kunnen zetten. Ons complete genoom bevat rond de 3 miljard baseparen.

Vind je je aquarium veel te saai? Hack dan je eigen vis.
Vind je je aquarium veel te saai? Hack dan je eigen vis.

De biopunkbeweging
Biohackers geloven dat wetenschap gedemocratiseerd moet worden en niet alleen plaats moet vinden in dure laboratoria van de overheid of grote corporaties. In de negentiende eeuw was wetenschap het domein van amateuronderzoekers die in hun vrije tijd in een achterkamertje baanbrekend natuurkundig, biologisch of astronomisch onderzoek deden. Nu zijn citizen scientists de uitzondering. Er moet een nieuwe impuls komen voor amateurwetenschappers. We zijn te bang geworden voor biotechnologisch onderzoek. Aldus Meredith Pattersons Biopunk Manifesto(1), dat duidelijk is gekant tegen het huidige restrictieve beleid wat betreft biotechnologie en het voorzorgsprincipe dat daar achter schuilgaat.

Hack een konijn of vlinder
Kunstenaars hebben al geëxperimenteerd met de mogelijkheden. Uiteraard kan je op deze manier ook je eigen enzymen produceren. Menselijk insuline, bijvoorbeeld. Op dit moment verdienen farmaceutische bedrijven honderden miljarden aan het produceren en verkopen van allerlei biotech-medicijnen. Voor arme zieken worden medische behandelingen zo onbetaalbaar, zeker in landen zonder ziekenfonds zoals de Verenigde Staten.  Het goede nieuws: al voor enkele honderden euro zijn de benodigdheden voor een genlab te koop. Dus heb je de nodige biologische en biochemische achtergrondkennis en weet je hoe je met de apparatuur overweg moet, dan kan je in principe in je schuurtje een medicijn tegen kanker ontwikkelen.Voor de absolute beginners is er de Genomikon edu-kit voor synthetische biologie. Heb je het métier eenmaal in de vingers, dan begint het echte werk.

Open-source geneesmiddel
Onderzoek naar geneesmiddelen is nu alleen haalbaar voor bedrijven met heel diepe zakken. En zoals bekend, zijn de belangen van grote bedrijven doorgaans anders dan die van patiënten. De biohackersbeweging , onder andere de mensen van DIYBio, wil daarom medicijnontwikkeling naar de massa brengen. Stel, jij of iemand anders lijdt aan een zeer nare erfelijke ziekte  als taaislijmziekte of de ziekte van Huntingdon. Vooral bij zeldzame erfelijke aandoeningen was je dan tot nu toe overgeleverd aan de doorgaans uiterst beperkte genade van medicijnfabrikanten. Voor de zogenaamde “orphan” aandoeningen zijn er te weinig patiënten om productie en onderzoek van het medicijn interessant te maken. Biohackers kunnen hier instappen en open-source medicijnen ontwikkelen.
Sommige radicale biohackers willen zelfs virussen ontwikkelen om erfelijke ziektes mee te genezen. Hiermee zou heel veel menselijk lijden worden voorkomen. Wel moet voorkomen worden dat er bepaalde zieke geesten deze techniek misbruiken omdat ze bijvoorbeeld vinden dat de aarde veel beter zonder mensen kan.

Je eigen forensisch DNA-lab
Sinds de ontwikkeling van PCR, polymerase chain reaction, kan ook een minuscule hoeveelheid DNA met weinig moeite verveelvoudigd worden. Een uitkomst bij forensisch onderzoek. Tot voor kort waren PCR-apparaten erg duur omdat er nog patent op rustte, maar de groep OpenPCR (2)  heeft nu een open-source PCR apparaat ontwikkeld.  Voor rond de duizend dollar (750 euro) heb je je eigen forensisch lab in je garage.

Bronnen
1. Biopunk manifesto
2. OpenPCR.org
3. MIT Technology Review

y-chromosoom

‘Man gaat uitsterven’

De man gaat uitsterven volgens sommigen. Het Y-chromosoom, het chromosoom dat maakt dat iemand een man is, krijgt het steeds moeilijker. Ooit was het even groot als het X-chromosoom maar over enkele honderdduizenden jaar zal het verdwenen zijn. Zal de mensheid dat overleven?

Wat zijn chromosomen?

Alle meercellige organismen hebben chromosomen: DNA bevattende structuren die als het ware de genetische bibliotheek van de cel vormen. De mens heeft er 46, 23 paren van complementaire chromosomen. Bij de mens wordt het geslacht bepaald door de geslachtschromosomen, aangeduid met de letters X en Y. De meeste mannen hebben combinatie XY, vrouwen XX. Er zijn enkele zeldzame chromosoomafwijkingen zoals XXY, XYY en dergelijke. De aanwezigheid van het Y-chromosoom bepaalt of een embryo zich ontwikkelt tot man of vrouw. XXXY wordt dus bijvoorbeeld man, X wordt vrouw.

War of the sexes, man gaat uitsterven

Er zijn bepaalde genen die liever hebben dat ze in een man of een vrouw zitten. Zo erft het mitochondriale DNA (het DNA dat in mitochondriën, kleine fabriekjes in de cel die vele miljoenen jaren geleden zelfstandige bacteriën waren) alleen over via de moeder.

man gaat uitsterven
Het Y-chromosoom zinkt in het niet bij het reusachtige X-chromosoom. Credit: Jonathan Bailey, National Human Genome Research Institute, National Institutes of Health, licentie CC BY-NC 2.0 via Flickr

Logisch, want zaadcellen leveren alleen DNA en geen mitochondrieën (dit voorkomt dat eicel en zaadcel niet met elkaar kunnen samenwerken). Het gevolg is dat het voor mitochondrieel DNA heel interessant is om bevruchte eicellen te veranderen in vrouwtjes. Slaagt het mitochondriale DNA er in om het Y-chromosoom uit een bevruchte eicel te wippen, dan zal het voortleven. Inderdaad zijn er in de biologie meerdere gevallen bekend van soorten waarbij het mitochondriale DNA er in is geslaagd alleen vrouwtjes te laten geboren worden. En het man uitsterven dus al plaats had gevonden.

Uiteraard ‘probeert’ het Y-chromosoom precies het omgekeerde te bewerkstelligen. Immers: wordt het Y-chromosoom niet opgenomen in een bevruchte eicel, dan gat het niet door naar de volgende generatie. Met andere woorden: er ontstaat een evolutionaire strijd tussen het mitochondriale DNA en het Y-chromosoom.
Dit verklaart ook waarom er families bestaan waarin vrijwel alleen jongetjes of meisjes geboren worden. In families met een dominant Y-chromosoom slaagt dit er in zeker te stellen dat het in het grootste deel van de gevallen in bevruchte eicellen terecht komt (bijvoorbeeld omdat er meer zaadcellen met een Y-chromosoom worden aangemaakt). In families met veel dochters maakt het mitochondriële DNA korte metten met het Y-chromosoom. De man gaat uitsterven door dit effect.

Y-chromosoom aan de verliezende hand

Als je de menselijke chromosomen onder de microscoop bekijkt, zal het je opvallen dat het Y-chromosoom veel kleiner is dan het X-chromosoom. Geen wonder. Elk miljoen jaar verdwijnen er vijf genen. Dit proces begin driehonderd miljoen jaar geleden. Over tien miljoen jaar is volgens sommige berekeningen het Y-chromosoom helemaal uitgekleed en zal verdwijnen. In onvruchtbare mannen, ongeveer tien tot vijftien procent van alle mannen, degenereert het X-chromosoom zelfs nog sneller.
Tien miljoen jaar, of volgens sommige pessimisten enkele honderdduizenden jaar, is een heel eind in de toekomst. De kans is zeer groot dat we tegen die tijd als soort niet meer bestaan of een oplossing hebben gevonden. Wat zeker helpt is dat de meeste onderzoekers mannen zijn, dus een direct belang hebben dat de man gaat uitsterven te voorkomen…

Bron: Nature

Onbekende groep 1 bevindt zich fylogenetisch tussen bacterievirussen. Groep 2 is onbekend...

Mysterieus DNA wijst op onbekende levensvorm

Het leven op aarde bestaat uit bacteriën, de bacterieachtige archaea en eukaryoten (alle levensvormen met een celkern, waaronder mensen). Mysterieuze DNA-sporen wijzen er echter op dat er mogelijk nog een onbekende vierde groep levensvormen is…

Wetenschappers zijn net mensen. Het grootste deel van de tijd zijn ze bezig op de gebaande paden voort te rennen. Dat er weg van de wetenschappelijke snelweg nog veel opmerkelijke ontdekkingen zijn te doen bewees een groepje genetici, waaronder Jonathan Eisen van de universiteit van Californië en  Craig Venter, bekend van het Human Genome Project.

Grootste deel eencelligen onzichtbaar
Maar één op de honderd bacteriesoorten kan worden gekweekt op een petrischaaltje. Om de vele onbekende eencelligen in kaart te brengen, hebben beide genetici enkele monsters van de Global Ocean Sampling Expedition uitgekamd. Door middel van metagenomics, een techniek waarbij letterlijk alle DNA in het monster op één hoop wordt gegooid en geanalyseerd,  slaagden ze erin junk-DNA van relevante informatie te scheiden.

Onbekend, sterk afwijkend DNA
Hier kwamen opmerkelijke dingen uit. Zo bleken DNA-reeksen voor te komen die codeerden voor tot nu toe totaal onbekende varianten van recA and rpoB, eiwitten die respectievelijk DNA repareren en RNA (afschrift van DNA) produceren.

Dit is geen maanlander maar een faag: een bacterievirus.
Dit is geen maanlander maar een faag: een bacterievirus.

Deze eiwitten of varianten hiervan komen in iedere bekende levensvorm van alle drie rijken voor. De varianten die nu zijn aangetroffen zijn volkomen onbekend en passen in geen van de drie bekende rijken. Om die reden denken veel biologen dat we een onbekende vierde groep levensvormen op het spoor zijn, verschillend dus van bacteriën, archaea en organismen met een celkern.

Verklaringen
Sommigen denken dat deze sequenties van een organisme komt dat zich door langdurige isolatie uit een groep bacteriën of archaea heeft ontwikkeld.

Onbekende groep 1 bevindt zich fylogenetisch tussen bacterievirussen. Groep 2 is onbekend...
Onbekende groep 1 bevindt zich fylogenetisch tussen bacterievirussen. Groep 2 is onbekend...

Dan moet deze scheiding wel miljarden jaren geleden hebben plaatsgevonden of moet de evolutie extreem snel hebben plaatsgevonden.

Anderen denken dat het om een nog onbekende groep fagen (bacterievirussen) gaat. Sommige virussen dragen de codes voor DNA-manipulerende enzymen met zich mee.

Inderdaad zijn de onbekende sequenties uit groep 1 (zie figuur, geel) verwant aan fagen. Groep 2, in blauw gemarkeerd,  is veel raadselachtiger.

De meest verregaande suggesties is dat het hier om een nog onbekend organisme  gaat dat misschien de missing link is tussen cellulair leven en niet-cellulair leven. Dat laatste zou uiteraard zeer sensationeel zijn.

Het is ook mogelijk dat het (net zoals eerder bij archaea) in het geval van groep 2 om bacterie-achtige organismen  gaat die tot nu toe aan de aandacht van microbiologen zijn ontsnapt.

Bronnen:

New Scientist
Plos One