Knip- en plakwerk met een slim DNA-schaartje

Sleutelen aan genen is sinds kort veel eenvoudiger door een precieze DNA-schaar. Dat betekent een stroomversnelling in het onderzoek naar nieuwe medicijnen, verbeterde gewassen en de uitroeiing van de malariamug.

Fantastisch eenvoudig. Heel efficiënt. Een enorme versnelling. Niels Geijsen, hoogleraar regeneratieve geneeskunde in Utrecht, komt woorden tekort in zijn enthousiasme over de nieuwe 'DNA-schaar'. En Geijsen is zeker niet de enige wetenschapper die in superlatieven praat. "Waar we eerst jaren over deden, lukt nu in enkele maanden. Dat maakt veel ambitieuzere en spannendere experimenten mogelijk", vertelt Robert Mans, promovendus industriële biotechnologie in Delft.

Staaltjes van die spannende experimenten verschenen de afgelopen maanden al in wetenschapsbladen als Nature en Science. Engelse onderzoekers ontwikkelden met de schaar malariamuggen die, losgelaten in de vrije natuur, al hun soortgenoten zouden kunnen uitroeien. En de Amerikaanse geneticus George Church van Harvard Medical School presenteerde een virusvrij, 'vermenselijkt' varken dat mogelijk organen kan doneren. De experimenten roepen bewondering op, maar ook ethische vragen. Zeker het experiment van Junjiu Huang van de universiteit van Guangzhou. Hij probeerde in menselijke embryo's met de schaar het eiwit te vervangen dat betrokken is bij de bloedziekte thalassemie.

Het moleculaire schaartje heeft de onmogelijke naam, eigenlijk een afkorting, CRISPR-Cas9. In het lab nog verder verkort tot CRISPR en uitgesproken als 'krisper'. Het is een eiwit dat van nature in ongeveer de helft van alle bekende bacteriën voorkomt. Zij gebruiken het om zichzelf te beschermen tegen virussen. CRISPR verknipt het DNA van binnendringende virussen.

Vanaf 2007 onderzochten wetenschappers hoe de schaar werkt en zijn doel opspoort. De bacterie blijkt korte stukjes genen van virussen te bewaren, die de schaar naar zijn doel gidsen (zie ook figuur). Een ontdekking waar ook de Wageningse hoogleraar microbiologische genetica John van der Oost een grote rol in speelde. In 2012 lukte het de Française Emmanuelle Charpentier om voor het eerst met CRISPR een zelfgekozen bacterie-gen door te knippen in haar lab in Los Angeles. Daarna bleek al snel dat de schaar ook prima werkt in schimmels, gisten, dier- en plantcellen. Er zijn al bijna drieduizend succesvolle CRISPR-experimenten gepubliceerd.

In Utrecht gebruikt hoogleraar Geijsen CRISPR bijvoorbeeld om een therapie tegen de spierziekte Duchenne te ontwikkelen. Patiënten, meestal jongens, hebben een kleine maar cruciale fout in hun dystrofine-gen. Een knip op de onheilsplek zorgt ervoor dat het gen opnieuw aan elkaar wordt geplakt. Het geplakte gen werkt niet perfect, maar vaak veel beter dan met het oorspronkelijke foutje.

Dat blijkt uit eerste experimenten op het lab met losse stamcellen. "CRISPR knipt heel efficiënt, en meteen al in het eerste experiment", vertelt Geijsen. Maar dat betekent nog lang geen nieuwe therapie, benadrukt hij. Het onderzoek is nog vele stappen verwijderd van toepassing in het lichaam. Maar de eenvoud, snelheid en precisie van CRISPR noemt Geijsen 'fenomenaal'.

In Delft lukte het biotechnoloog Robert Mans om met CRISPR in één experiment zes genen in bakkersgist stil te leggen. Op de klassieke manier zou zo'n experiment twee of drie maanden duren. Met CRISPR was het binnen twee weken gepiept. "Bizar snel", vindt Mans. Genetisch veranderde gisten zijn - zonder dat we ons dat vaak realiseren - de werkpaarden van de moderne industrie. Ze produceren allerlei medicijnen, chemicaliën en enzymen. Hoe eenvoudiger en sneller het genetisch sleutelwerk, hoe complexer de mogelijke producten. De kostbare specerij saffraan en het malariamiddel artemisinine kunnen inmiddels goedkoper en natuuridentiek door een gist worden gemaakt.

CRISPR werkt ook in plantencellen. Het gebruik is nog pril, weet Dolf Weijers, hoogleraar biochemie van plantenontwikkeling in Wageningen. Hij heeft een viertal voorbeelden van toepassingen kunnen vinden, waaronder tarwe met schimmelresistentie en langzaam rijpende tomaten. Genetisch gemodificeerd en dus verboden in Europa? "Niet noodzakelijkerwijs", antwoordt Weijers. Gentechnologie kan achterhalen wat er nodig is om een bepaalde eigenschap te krijgen. Met klassieke technieken kan die vervolgens vaak ook worden bereikt.

Zelf heeft Weijers de schaar ook in huis gehaald. Het was geen instant succes. "De werking blijkt per plantensoort nogal te verschillen. In mais knipt de schaar alles, in zandraket gaat het moeizaam, en daar werken wij juist veel mee." Maar de precisie maakt Weijers enthousiast. "CRISPR is genetische precisiechirurgie. Met andere technieken ben je vooral afhankelijk van toeval."

Zoek en vervang

CRISPR is een schaar, maar je kunt er ook een knip-en-plaksysteem van maken. Wanneer CRISPR een gen doorknipt, ziet de cel dat als een fout, en gaat repareren. Een kort stukje DNA dat past op de knipranden kan daarbij dienen als 'plakband'. Door samen met de schaar zo'n stuk DNA aan te bieden, kan een gen naar wens worden gewijzigd. En met twee scharen kan een heel gen eruit worden geknipt en vervangen.

Nog een stapje complexer: het knip-en-plaksysteem kan zelf ingebouwd worden in het DNA van een bacterie of dier. Het organisme maakt dan zelf de schaar en het plakband. Komen ze hun doel tegen dan wordt het DNA veranderd. Dat gebeurt niet alleen in het organisme zelf, maar ook in alle nakomelingen. Wanneer het knip-en-plaksysteem in het organisme is ingebouwd, is het immers erfelijk. Zo kan een eigenschap na een aantal generaties in een hele populatie doordringen. Dit heet een gene drive. En CRISPR is er door zijn precisie uitermate geschikt voor.

Anthony James van de Universiteit van Californië maakte zo malariamuggen met een antilichaam tegen de malariaparasiet die wordt verspreid in al het nageslacht. Tony Nolan en Andrea Crisanti van het Imperial College London maakten malariamuggen die onvruchtbaarheid verspreiden en zo de malariamug zelf zouden kunnen uitroeien.

Om de malariamug zal waarschijnlijk niemand een traantje laten, noch om de dengue- of zikamug. Maar álle muggen uitroeien kan effect hebben op een heel ecosysteem, waarschuwt Jeantine Lunshof, filosoof en bio-ethicus in Groningen en Harvard. En wat in muggen kan, kan ook in muizen en andere dieren. Dat maakt gene drives omstreden (zie kader). Het RIVM pleitte in februari voor een vergunningsplicht voor gene drives en Europese regelgeving, een advies dat de minister overnam.

De DNA-schaar is voor onderzoekers eenvoudig te bestellen. Het bedrijf Addgene levert hem zonder winstoogmerk voor onderzoeksdoeleinden. Er is zelfs al een doe-het-zelf-CRISPR-kit voor in de biologieles of hobbyclub. Biohacker Pieter van Boheemen van de WAAG Society in Amsterdam heeft nog niet zelf met CRISPR geëxperimenteerd. Maar dat is een kwestie van weken. "We willen geen kant-en-klaarkit, maar zelf een boeiend experiment uitdenken." Is het niet gevaarlijk, dit DNA-knip-en-plakwerk op de 'keukentafel'? Vooralsnog niet, denkt Mans. "Iets gevaarlijks creëren, dat lukt echt niet zomaar in een keldertje."

Sneller onderzoek

Het eiwit (CRISPR-CAS9) knipt DNA heel precies en snel op een plek die een stuk gids-RNA aanwijst. Wie ergens een knip wil maken, bestelt schaar en gids-RNA via internet en kan aan de slag. Met CRISPR zijn genen uit te schakelen, te corrigeren en toe te voegen. Waar voorheen weken of maanden nodig waren om uit te vinden hoe een stuk DNA kon worden veranderd, zijn biologen nu in een paar uurtjes klaar. Een enorme versnelling van het onderzoek.- Een stukje RNA van circa twintig 'letters' zorgt dat de schaar het juiste DNA doorknipt. Het gids-RNA heeft een code die voorkomt in het virus-DNA en er daarom opplakt. Waarna de schaar het DNA doorknipt.

CRISPR maakt knippen en plakken met genen een stuk eenvoudiger. Mag dat en willen we dat? "CRISPR is een stuk labgereedschap, een tool, zoals een pipet of een PCR-apparaat waarmee je DNA kunt vermenigvuldigen", reageert Jeantine Lunshof, filosoof en bio-ethicus. "Daar kun je geen ja/nee-discussie over houden. Het gaat erom wat je ermee doet."

Maar CRISPR zet de ethische discussie over gene drives op de agenda, vindt Lunshof. Die veranderen niet alleen een organisme zelf, maar dringen door in al het nageslacht. Lunshof: "Ik was bij de presentatie van de eerste CRISPR-gene drive, ontworpen om malaria uit te roeien. Je zag echt iedereen op het puntje van zijn stoel zitten. Veel collega's uit malarialanden zeggen: morgen doen. Zij hebben allemaal familie en vrienden verloren." Toch waarschuwt Lunshof voor een overhaaste introductie. Een brede maatschappelijke discussie is nodig over de risico's, over wat wel of niet acceptabel is en hoe gene drives gereguleerd moeten worden. Een gene drive in de vrije natuur kan een hele soort veranderen of uitroeien. En kan daardoor ook ecosystemen beïnvloeden.

Met CRISPR zijn in China voor het eerst (niet levensvatbare) humane embryo's genetisch gemodificeerd. Daardoor laaide het debat op over experimenteren met embryo's voor medische doeleinden. Genetische modificatie van embryo's is in de meeste landen verboden, maar onder voorwaarden toegestaan in bijvoorbeeld China, India en Engeland. Het CRISPR-experiment was op zichzelf niet bijzonder succesvol. De schaar knipte slechts 'een fractie' van de embryo's en bleek ook niet-doel-DNA te hebben geknipt.

De ethische kant van de schaar

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden