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
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)