Chloroplast-DNA: het eigen genoom in de energiecentrale van de plantencel
Als je aan DNA denkt, denk je waarschijnlijk aan de celkern: de plek in elke cel waar het complete erfelijke plan van een organisme is opgeslagen. Bij planten klopt dat maar half. Naast het DNA in de celkern hebben plantencellen ook DNA in hun chloroplasten, de kleine groene onderdelen van de cel die zonlicht omzetten in energie via fotosynthese. Dat losse setje erfelijk materiaal heet chloroplast-DNA, vaak afgekort tot cpDNA.
Een handige vergelijking: stel je een bedrijf voor met een hoofdkantoor (de celkern) dat alle grote beslissingen neemt. Ergens in de organisatie zit ook een klein, zelfstandig filiaal met een eigen kladblok aan regels en instructies: de chloroplast. Dat filiaal was ooit een compleet zelfstandig bedrijfje, maar is lang geleden overgenomen en ingelijfd. Het houdt sindsdien nog altijd een deel van zijn eigen administratie bij, apart van het hoofdkantoor. Dat kladblok is het chloroplast-DNA.
Wat is het precies?
De reden dat chloroplasten hun eigen DNA hebben, ligt in hun ontstaansgeschiedenis. Wetenschappers gaan ervan uit dat chloroplasten zo'n 1,5 miljard jaar geleden zijn ontstaan doordat een cyanobacterie (een fotosynthetiserende bacterie) werd opgenomen door een grotere cel en daarna niet werd verteerd, maar bleef samenwerken. Dit heet de endosymbiontentheorie: endo betekent binnenin, een symbiont is een organisme dat in wederzijds voordelige samenwerking met een ander leeft. In de loop van de evolutie is het grootste deel van het DNA van die oorspronkelijke bacterie verhuisd naar de celkern van de gastheercel, maar een klein deel is in de chloroplast zelf achtergebleven.
Dat overgebleven deel, het chloroplast-DNA, is meestal ringvormig, net als bacterieel DNA, en bevat afhankelijk van de plantensoort ongeveer 100 tot 250 genen. Ter vergelijking: het DNA in de celkern van een plant bevat vaak tienduizenden genen. De genen op cpDNA coderen vooral voor onderdelen van het fotosynthese-apparaat en voor de eigen 'eiwitfabriek' van de chloroplast, zoals ribosomaal RNA en transport-RNA (moleculen die nodig zijn om eiwitten te bouwen).
Een cel bevat meestal meerdere chloroplasten, en elke chloroplast bevat op zijn beurt meerdere kopieën van zijn DNA-ring. Daardoor is cpDNA relatief overvloedig aanwezig in een plantencel, wat het makkelijker maakt om te isoleren en af te lezen dan het DNA uit de celkern.
Nog een bijzonderheid: bij de meeste bloeiende planten wordt chloroplast-DNA vrijwel uitsluitend via de moederplant doorgegeven, dus via de eicel en niet via stuifmeel. Dit heet maternale overerving. Er bestaan uitzonderingen, vooral bij naaktzadigen zoals dennen, waar juist het stuifmeel de chloroplasten doorgeeft. Deze overervingsroute is belangrijk gebleken voor toepassingen die verderop aan bod komen.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoek naar chloroplast-DNA dient meerdere doelen. Ten eerste is het een schatkamer voor evolutionair onderzoek. Omdat cpDNA relatief langzaam en voorspelbaar muteert, kunnen onderzoekers aan de hand van kleine verschillen in de DNA-volgorde reconstrueren hoe plantensoorten zich in de tijd hebben vertakt en hoe gewassen zijn gedomesticeerd.
Ten tweede wordt cpDNA gebruikt voor identificatie van plantensoorten, een techniek die bekendstaat als DNA-barcoding: het aflezen van een kort, standaard stukje DNA om snel te bepalen tot welke soort een plant behoort, vergelijkbaar met een barcode op een product in de winkel.
Ten derde, en dit is het meest technische toepassingsgebied, willen onderzoekers genen rechtstreeks in het chloroplast-DNA inbouwen in plaats van in het DNA van de celkern. Dit heet chloroplast-transformatie. Het grote voordeel is dat chloroplasten vaak enorme hoeveelheden eiwit kunnen produceren, waardoor planten worden ingezet als goedkope 'fabriekjes' voor bijvoorbeeld medicijnen, vaccins of industriële enzymen. Dit onderzoeksveld heet moleculaire farming.
Een ander voordeel hangt samen met de maternale overerving: omdat een ingebouwd gen in de chloroplast bij de meeste gewassen niet via stuifmeel verspreid wordt, is het risico kleiner dat het gen ongewild terechtkomt in wilde verwante planten. Dit wordt gezien als een vorm van bioveiligheid bij genetisch gemodificeerde gewassen.
Voorbeelden uit de praktijk
In 1990 slaagde de groep van plantbioloog Pal Maliga aan Rutgers University erin om voor het eerst een gen succesvol in het chloroplast-DNA van tabak (Nicotiana tabacum) in te bouwen. Deze doorbraak legde de technische basis voor alle latere chloroplast-engineering en tabak bleef lang het belangrijkste modelgewas voor dit werk, omdat het relatief makkelijk is om er hele planten uit gekweekte cellen te regenereren.
Sinds begin jaren 2000 werkt de groep van Henry Daniell aan de University of Pennsylvania aan het produceren van medicijnen in plantenchloroplasten, waaronder orale vaccincomponenten tegen cholera en tetanus, en zelfs menselijk insuline in slachloroplasten. Het idee is dat gedroogd plantenmateriaal goedkoop te produceren en te vervoeren is, wat interessant zou kunnen zijn voor gezondheidszorg in gebieden met beperkte infrastructuur.
In 2009 beval de internationale Consortium for the Barcode of Life Plant Working Group twee chloroplast-genen, rbcL en matK, aan als wereldwijde standaard voor DNA-barcoding van planten. Deze barcode wordt sindsdien gebruikt om bijvoorbeeld illegaal gekapt hout te herkennen, valse kruidenpreparaten op te sporen en botanische collecties te ordenen.
Onderzoekers hebben ook geprobeerd insectenresistentie-genen, zoals het Bt-toxine-gen uit de bacterie Bacillus thuringiensis, in het chloroplast-genoom van gewassen als tabak en katoen in te bouwen, specifiek om verspreiding van het gen naar wilde planten via stuifmeel te voorkomen.
Daarnaast wordt chloroplast-DNA-sequencing breed ingezet om de domesticatiegeschiedenis van gewassen zoals rijst, tarwe en aardappel te reconstrueren, door genoomvolgordes van moderne rassen te vergelijken met wilde voorouders en archeologische plantenresten.
Hoe ver is de techniek?
Het aflezen (sequencen) van chloroplast-genomen is inmiddels routine en relatief goedkoop. Duizenden plastidegenomen staan al in openbare databanken, en DNA-barcoding met chloroplast-genen wordt op grote schaal en betrouwbaar toegepast in taxonomie, natuurbescherming en handhaving.
Chloroplast-transformatie, het actief inbouwen van nieuwe genen, is een ander verhaal. In tabak werkt de techniek goed en betrouwbaar, maar bij veel andere gewassen, met name granen zoals tarwe, mais en rijst, blijkt het lastig om na de genetische ingreep weer een volledige, vruchtbare plant te regenereren. Dit blijft een belangrijk technisch obstakel.
Voor zover bekend heeft chloroplast-engineering tot nu toe niet geleid tot gewassen die op grote commerciële schaal op de markt zijn gebracht; het merendeel van het werk speelt zich nog af in laboratoria en kassen, met beperkte veldproeven. Ook regelgeving rond genetisch gemodificeerde planten speelt hierbij een rol, evenals de hoge ontwikkelkosten. Het veld bestaat inmiddels meer dan drie decennia en groeit gestaag, maar van een doorbraak naar brede toepassing is nog geen sprake.
Wie werken eraan?
Rutgers University in de Verenigde Staten geldt met het werk van Pal Maliga als bakermat van de chloroplast-transformatietechniek. De University of Pennsylvania, met de groep van Henry Daniell, is een van de meest actieve centra voor chloroplast-gebaseerde biofarmaceutica.
In Duitsland is het Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology, onder meer via onderzoeker Ralph Bock, een toonaangevend centrum voor fundamenteel onderzoek naar plastidegenetica en -engineering.
Op het gebied van DNA-barcoding en plantidentificatie spelen internationale samenwerkingsverbanden zoals het Consortium for the Barcode of Life een centrale rol, samen met botanische instituten als de Royal Botanic Gardens, Kew in het Verenigd Koninkrijk, die grote referentiedatabanken van plantensoorten beheren.
Daarnaast dragen landbouwuniversiteiten en onderzoeksinstellingen wereldwijd, onder meer in de Verenigde Staten, Duitsland, het Verenigd Koninkrijk en China, bij aan zowel fundamenteel onderzoek naar cpDNA als toegepast onderzoek naar gewasverbetering.