Een chromosoom om biologie van te leren

Geen opmerkingen

Nog twee jaar, dan hoopt Jef Boeke een gistcel klaar te hebben met een synthetisch genoom. Ontdaan van franje, geoptimaliseerd voor laboratoriumgebruik en in meerdere opzichten leerzaam: ‘Er werken honderden studenten aan en ze vinden het geweldig.’

‘Ik zeg altijd: ik hoop dat we falen’, aldus Jef Boeke. ‘Alles wat we doen is gebaseerd op aannames die voortkomen uit bestaande kennis. Ongetwijfeld klopt een deel daarvan niet. Nieuwe biologie leer je van de mislukkingen.’

Onlangs was hij bij het NKI in Amsterdam te gast om verslag te doen van iets dat duidelijk géén mislukking is: een synthetische variant van chromosoom 3 van bakkersgist, met talrijke technische verbeteringen, die in een levende gistcel het origineel naadloos vervangt. Een wereldprimeur: Craig Venter heeft eerder DNA nagemaakt maar aan verbeteren is hij voor zover bekend nog niet toegekomen - en bovendien zit gist biologisch gezien veel dichter bij de mens dan Venters bacteriën.

‘Je spreekt de naam gewoon op zijn Hollands uit’, vertelt Boeke (60), die in de VS is geboren uit Nederlandse ouders en hun taal nog vrijwel accentloos spreekt. De afgelopen 28 jaar was hij verbonden aan Johns Hopkins University in Baltimore, maar begin dit jaar verhuisde hij naar New York University om een Institute of Systems Genetics op te zetten. ‘De komende vijf jaar mag ik twaalf à vijftien mensen aannemen in een nieuw gebouw met een hoop menselijke genetica, genomics en synthetische biologie.’ Dat menselijke heeft volgens hem te maken met een zekere voorkeur in de VS voor translationele wetenschap, die zich snel naar de kliniek laat vertalen. Zelf houdt hij zich liever bij de gisten, waaraan hij al werkt sinds zijn promotieonderzoek: ‘Het zijn fantastische modelorganismen voor zowat elke metabole route in planten én zoogdieren.’

Hoe kwam je op het idee van synthetische chromosomen?

‘Ik weet nog dat ik er voor het eerst iemand over hoorde, zo’n vijftien jaar geleden, en dat ik dacht: waarom zou iemand dát willen doen? Maar tien jaar later zat ik te praten met mijn collega Chandra (Srinivasan Chandrasegaran, red.) en die was meteen dolenthousiast toen ik er iets over zei.

We hebben toen een jaar gediscussieerd over hoe je zo’n chromosoom zou moeten veranderen om het de moeite waard te maken. We wilden iets nieuws maken, iets anders, met unieke eigenschappen.’

En wat is het geworden?

‘Het is ontworpen om ons biologie te leren. Het heeft een ingebouwd genome scrambling-systeem. Voeg je een klein molecuul toe, dan herschikken de onderdelen zich in een willekeurige volgorde en krijg je een reeks andere chromosomen die onder bepaalde omstandigheden misschien beter functioneren. Het kan een gist opleveren die beter is in voortplanting, of in het aanmaken van een belangrijk molecuul. Allemaal eigenschappen die vragen om een specifieke genetische oplossing.’

Het is opgebouwd uit kleine stukjes, die elk door een andere student zijn gesynthetiseerd. Vanwaar die strategie?

‘We begonnen met de korte arm van chromosoom 9, één procent van het gistgenoom. Ik stuurde de sequenties naar een commercieel bedrijf, en daarna moest ik elf maanden wachten terwijl ik niet zeker wist of het zou lukken want zoiets groots hadden ze nog nooit gemaakt. Toen realiseerde ik me: in dit tempo haal ik het einde van het project niet. Maar elders in de stad heb je het arts and science college en de ingenieursopleiding. Daar zitten veel studenten die onderzoeksprojecten willen doen maar geen begeleider kunnen vinden. Nou, ik had werk voor ze.

‘Hoe zwaar kun je een chromosoom mishandelen?’

Ik maakte er een cursus genoombouwen van die studiepunten opleverde. Honderden studenten hebben hem al gevolgd. De staf was bang dat we een stelletje werkezels zouden afleveren met alleen technische vaardigheden. Maar het omgekeerde is waar. Ze doen dingen die ze nooit eerder hebben gedaan. Ze leren hoe je een experiment uitvoert en problemen oplost. Eigenlijk leren we ze hoe je wetenschap bedrijft. Ik krijg brieven van mensen die zeggen dat het hun leven heeft veranderd.’

Je hebt ook wel gesuggereerd het in China te laten doen.

‘We hebben in Tianjin nu ook zo’n genoomcursus. Ik had een postdoc met veel contacten in China, en een daarvan was zo enthousiast dat hij het vliegtuig nam om te overleggen. Het werkt daar wel anders: een soort militaire structuur met 60 mensen die er in één jaar een compleet chromosoom uit stampen.’

Dat suggereert dat het niet blijft bij chromosoom 3.

‘We hebben er nu tien in de pijplijn, en geld voor vijftien van de zestien. Ook sloten we al een contract met Singapore en met Macquarie University in Australië af. Het kost wel tijd. Alle betrokkenen moeten tekenen dat ze geen sequenties octrooieren en dat ze zich aan bepaalde ethische principes houden. En dan moet je het chromosoom nog herontwerpen. We hebben daar wel software voor maar een deel blijft handwerk, je moet er base voor base doorheen lopen om te checken. Dus moet je mensen hebben met verstand van moleculaire biologie en van gistgenetica, en minstens één die iets heeft met computers.’

Waarom zijn die wijzigingen zo belangrijk?

Ook hebben we van de drie stopcodons alle UAG’s vervangen door UAA. Ooit kunnen we UAG dus gebruiken voor een 21ste aminozuur.’

Wat laat je bijvoorbeeld weg?

‘Voornamelijk transposons, mobiele elementen die ze ook wel junk-DNA noemen. Ik beschouw ze als de parasieten van het genoom, met een knipoog naar Richard Dawkins en zijn selfish genes. De sequenties zijn gemakkelijk herkenbaar, en ik denk dat we ze voor de allereerste keer helemaal uit het genoom kunnen schrappen.’

Parasieten? Hebben ze dan helemaal geen functie?

‘Zeker wel. Een transposon kan naast een gen terecht komen en de expressie daarvan inschakelen, wat soms een evolutionair voordeel oplevert. Maar wij willen een superstabiel genoom dat zich altijd hetzelfde gedraagt wanneer je het uit de doos haalt. Tot je de chemische schakelaar omzet en via de scramble-functie een miljoen varianten maakt.’

Als het gistgenoom klaar is, wat wordt dan het volgende organisme?

‘Dat duurt nog even. Aan de chromosomen zijn we nog een of twee jaar bezig, en dan moeten we ze nog samen in één giststam stoppen. Of dat met de grotere net zo eenvoudig gaat als met de kleintjes is afwachten.

Daarna willen we aan neochromosomen gaan werken. Noem het een zeventiende chromosoom voor gist. Daar zet je bijvoorbeeld alle genen in van een menselijke metabole route, terwijl je de overeenkomstige gistgenen systematisch uit de andere chromosomen verwijdert. Zo krijg je een model van die menselijke route waar je heel gemakkelijk mee kunt werken.

‘We wilden iets met unieke eigenschappen maken’

Bij mensen zou je het voor gentherapie kunnen gebruiken. Als je werkt met virussen, of met nieuwe technieken zoals zinkvingers of Crispr, moet je het nieuwe DNA altijd invoegen op bestaande locaties. Dat gaat nooit voor de volle honderd procent goed, soms komt het op de verkeerde plek terecht en inactiveert het een oncogen. Met een synthetisch chromosoom dat zelfstandig repliceert ben je van dat probleem af.’

Heb je plannen voor een menselijk genoom?

‘Nee, om een aantal redenen. Menselijke chromosomen zijn honderd tot duizend keer langer. Waarschijnlijk krijg je ze niet eens in een gistcelkern gepropt. En naast de ethische bezwaren is er de financiële kant: het gistgenoom kost al miljoenen dollars, doe dat maal tweehonderd, daar moet je wel een gigantisch goede reden voor hebben.’

Ben je niet bang voor kritiek dat je knoeit met de basis van het leven?

‘We hebben een bioethicus in het team, en we houden ons allemaal aan de regel dat we onze kennis niet gebruiken voor oorlogvoering en andere destructieve doeleinden. We werken ook aan technieken om micro-organismen binnen te houden, door ze afhankelijk te maken van moleculen die niet voorkomen in de vrije natuur. Die genome safeguards zijn een project van DARPA, van het Amerikaanse ministerie van defensie. De doelstelling is trouwens verschoven: eerst ging het om veiligheid, nu om bedrijfsspionage. Je kunt een micro-organisme makkelijk naar China smokkelen. Maar als je niet weet wat er in de speciale saus zit die het in leven houdt, heb je er niets aan.

Opmerkingen dat elk gedoe met genen fundamenteel verkeerd is, neem ik intussen minder serieus. Wie dat zegt nodig ik graag uit voor het eten om achteraf te vragen: hoeveel genetische manipulatie heb je op? Mijn voorgangers die al die planten veredelden waren óók met genen aan het werk, alleen noemden ze het niet zo. Wij doen hetzelfde met beter gereedschap.

Micro-organismen wisselen trouwens genen uit als idioten. Alles wat wij maken met recombinant DNA kan ook in de natuur ontstaan, als je lang genoeg wacht.’