Een doorbraak in gist dankzij Delfts onderzoek: ‘Het kan een revolutie worden’

Je zou het verhaal van promovendus Eline Postma en promotor Pascale Daran-Lapujade in een zin kunnen samenvatten: je maakt de gewenste genetische code in DNA, biedt die aan bij een gistcel, en zie: de gistcel neemt die op als was het zijn eigen genetisch materiaal, en gaat voor je aan het werk.

Meer is het niet. Maar die ene zin doet geen recht aan het vernuft in het werk van deze onderzoeksgroep aan de TU Delft, noch aan de mogelijkheden die daarmee worden geopend voor de biotechnologie. “We hebben bewezen dat het principe werkt”, zegt Daran-Lapujade. “Nu kan het een revolutie gaan worden.”

Het verhaal begint bij gist. Een goede bekende in de biotechnologie. Gist is gemakkelijk te kweken, ­gemakkelijk genetisch te veranderen, en goed op te schalen naar industrieel niveau. De mens laat al heel lang de insuline die hij nodig heeft door gist maken, en hoeft die niet meer uit varkens te halen. De bioethanol, die wordt ingezet voor de overgang naar een duurzamer economie, komt grotendeels uit gist. Medicijnen tegen malaria worden door gist gemaakt. En nog veel meer. De kleine eencelligen zijn een belangrijke productiefaciliteit van de biotechnologie.

Zesduizend genen

Er wordt voor al die doelen veel aan gist gesleuteld. Maar het sleutelen aan het genetisch apparaat van de gistcel kan omslachtig zijn, zegt hoogleraar Daran-Lapujade: “Bakkersgist, waarmee wij werken, heeft zestien chromosomen met daarop zo’n zesduizend genen. Dat is behoorlijk complex. De vraag waarmee dit onderzoek begon, was of je het sleutelen aan gist niet eenvoudiger kunt maken.

“Als je een bestanddeel wilt maken voor een medicijn weet je wat er uit moet komen, je weet wat je een gistcel daarvoor moet geven en je weet welke reacties er moeten plaatsvinden. Kun je daarvan een blauwdruk maken? En in dit geval niet door te gaan sleutelen aan de chromosomen van de gistcel, maar in de vorm van een nieuw chromosoom. Dat is het idee.”

De uitvoering begint met het maken van de gewenste genetische instructies in DNA. Maar hoe maak je DNA? “Dat maak je niet”, zegt Eline Postma, “dat bestel je.” DNA, de bekende dubbele helix, is een ketting van zogenoemde nucleotiden. Dat zijn de letters van het genetische alfabet. Dit alfabet heeft slechts vier letters, maar daarmee kunnen alle instructies voor levende materie worden geschreven.

Een boodschap voor de gistcel

Postma: “Je kunt precies aangeven welke letters je wilt hebben, in welke volgorde, en er zijn bedrijven die dan zo’n stukje DNA maken”. Probleem is alleen dat die geen grote stukken DNA kunnen maken. Een streng van tweehonderd letters is het maximum, zegt Postma. En dat is te weinig; een gen, één genetische instructie, telt enkele duizenden van die letters.

Om aan de gistcel de boodschap over te brengen dat hij een bepaalde stof moet gaan maken, heb je dus tientallen van die stukjes DNA nodig. Dat lijkt een onmogelijke klus te worden, maar de Delftse onderzoeksgroep heeft laten zien dat het kan. Ze hebben 44 van die kleine stukjes DNA ingebracht in gist, die door de gistcellen keurig aan elkaar werden geplakt tot een lange streng met de goede genetische instructie.

Dat is een opmerkelijke prestatie, die nu is gepubliceerd in vakblad ­Nucleic Acids Research. Postma: “We zijn niet de eersten die synthetisch DNA in gistcellen hebben ingebracht. Maar de doorbraak is dat we in gist een chromosoom hebben opgebouwd uit zoveel stukjes synthetisch DNA. Het is een record.”

Een paar trucs

Het is moeilijk voor te stellen hoe dat in zijn werk gaat in zo’n minuscule cel. Cruciaal, zegt Postma is dat je de uiteinden van de stukjes DNA die je aan elkaar wilt zetten gelijkend maakt. Want dan treedt een natuurlijk herstelmechanisme in werking: de gistcel denkt dat het DNA op die plek is gebroken en gaat de stukken aan elkaar plakken.

Maar dan nog, waarom gooit de gistcel het vreemde DNA dat de onderzoekers inbrengen niet meteen weer naar buiten?

Pascale Daran-Lapujade: “We gebruiken een paar trucs. Een ervan is dat we stukjes van het eigen DNA van gist opnemen in het DNA dat we inbrengen. Daarmee lijkt het voor de cel als eigen DNA. Dat is belangrijk, ook voor het herstelmechanisme. Dat mechanisme van DNA-herstel komt algemeen voor, ook in menselijke cellen. Bovendien nemen we stukjes DNA op die voor de gistcel van levensbelang zijn.”

Extra chromosoom inpluggen

In de Delftse experimenten werden de 44 stukjes ingebracht DNA in 36 procent van de gistcellen aan elkaar geknoopt tot een streng DNA, eigenlijk een artificieel chromosoom. Dat is voor een experiment als dit een bijzonder hoge score, zeggen Daran-Lapujade en Postma. Bovendien bleek de ingreep niet ten koste te gaan van het groeivermogen van de gistcellen.

Om te laten zien dat hun methode werkt, bouwden de Delftse onderzoekers een chromosoom met daarop de genen voor glycolyse. Glycolyse is een fundamenteel biologisch proces: de omzetting van suikers, brandstof van het leven. Tegelijk schakelden ze glycolyse-genen van de gistcellen zelf uit. Als de artificiële genen het niet zouden doen, zouden de cellen dat niet overleven. Maar ze deden het.

Hiermee is aangetoond dat je met de inbreng van een artificieel chromosoom gistcellen kunt laten doen wat je wilt, zegt Daran-Lapujade. “Je plugt als het ware een extra chromosoom in dat je zelf hebt gebouwd. Of meerdere, als dat nodig is.”

Belangstelling van bedrijven

De Delftse hoogleraar omschrijft het als een productieplatform waarop allerlei toepassingen kunnen draaien, zonder dat je aan het DNA van de gistcel zelf hoeft te sleutelen. Het kan de huidige biotech-toepassingen in gist efficiënter maken, en dus goedkoper, en opent de deur voor toepassingen die langs klassieke biotechnologische weg niet mogelijk zijn.

Daran-Lapujade hoopt dat er na deze fundamentele stap, die mogelijk was met steun van de European Research Council (ERC) van de EU, financiering komt voor een vervolg. Daarin willen de Delftse onderzoekers concrete toepassingen laten zien. Daran-Lapujade: “We weten nu dat het werkt. Ik denk dat er binnen vijf jaar belangstelling zal komen van bedrijven voor de toepassing van deze techniek.”

Lees ook:

Van een eenjarige plant een meerjarige maken

Eén gen kan van tarwe, mais en rijst meerjarige gewassen maken. Maar wil de boer die hebben?