Genetisch alfabet: het DNA-alfabet uitbreiden met nieuwe letters
Al het leven op aarde schrijft zijn erfelijke informatie met slechts vier "letters": de DNA-bouwstenen A, T, G en C (adenine, thymine, guanine en cytosine). Net zoals ons alfabet van 26 letters oneindig veel woorden kan vormen, kunnen deze vier chemische letters in eindeloze volgordes worden gerangschikt om alle eiwitten en eigenschappen van een organisme te coderen. Een genetisch alfabet is dus de verzameling bouwstenen waarmee de code van het leven wordt geschreven — en wetenschappers proberen dat alfabet nu, voor het eerst in de geschiedenis van het leven, uit te breiden met kunstmatige extra letters.
Stel je een schrijfmachine voor die van oudsher maar vier toetsen heeft: A, T, G en C. Onderzoekers bouwen nu extra toetsen bij die volgens dezelfde "grammatica" werken — ze passen precies in de vorm van de DNA-ladder en kunnen door de kopieermachine van de cel worden gelezen en gedupliceerd. Met die extra letters kun je in theorie nieuwe "woorden" schrijven waarvoor het normale alfabet simpelweg te weinig combinaties biedt, bijvoorbeeld om eiwitten te maken met eigenschappen die in de natuur niet voorkomen.
Wat is het precies?
DNA heeft de vorm van een gedraaide ladder, een dubbele helix. De sporten van die ladder zijn basenparen: A koppelt altijd aan T, en G altijd aan C, via zwakke waterstofbruggen. Deze paren passen qua vorm en chemie precies in elkaar, zodat de twee lange DNA-strengen stevig en voorspelbaar aan elkaar vastzitten.
Om het alfabet uit te breiden, ontwerpen scheikundigen nieuwe basen die net als A-T en G-C een stabiel, voorspelbaar paar vormen, maar dan met een andere chemische "sluiting". Sommige varianten gebruiken net als de natuurlijke basen waterstofbruggen, maar dan in een net iets andere rangschikking waardoor ze niet per ongeluk aan A, T, G of C plakken. Andere varianten, zoals het paar dat bekendstaat als d5SICS-dNaM, gebruiken helemaal geen waterstofbruggen maar vetminnende (hydrofobe) vlakken die als puzzelstukjes in elkaar passen.
Zo'n nieuwe letter inbouwen is nog niet genoeg: de cel moet hem ook kunnen kopiëren wanneer ze deelt. Dat vergt een polymerase-enzym (de "kopieermachine" van DNA) dat de synthetische basen herkent en foutloos dupliceert. Bacteriën maken de kunstmatige bouwstenen bovendien niet zelf aan; ze moeten die van buitenaf opnemen via een speciaal ingebouwd transporteiwit. En wil je dat de extra letters ook daadwerkelijk meetellen in de eiwitproductie — dus dat ze via boodschapper-RNA worden "voorgelezen" door de eiwitfabriek van de cel, het ribosoom — dan is er nog een extra laag techniek nodig: aangepaste transport-RNA's die de nieuwe code herkennen en er een aminozuur aan koppelen.
Wat wil men ermee bereiken?
Een breder alfabet betekent meer chemische woordenschat. Met slechts vier letters coderen alle organismen voor twintig "standaard" aminozuren, de bouwstenen van eiwitten. Met extra letters zouden cellen in principe ook niet-natuurlijke aminozuren kunnen inbouwen, met chemische groepen die eiwitten sterker, stabieler of gerichter kunnen maken — bijvoorbeeld om een medicijnmolecuul op een exacte plek te koppelen aan een polymeer waardoor het langer in het lichaam werkzaam blijft.
Een tweede doel ligt in de diagnostiek: korte DNA- of RNA-stukjes, aptameren genoemd, kunnen als een soort kunstmatige antilichamen aan specifieke eiwitten binden. Met extra chemische bouwstenen krijgen die aptameren meer "grip", wat gevoeligere tests mogelijk maakt.
Een derde motivatie is fundamenteel: waarom koos het leven op aarde precies voor vier letters, en niet voor meer of minder? Door in het laboratorium alternatieve alfabetten te bouwen die ook een stabiele, kopieerbare dubbele helix vormen, onderzoeken wetenschappers of de keuze voor A, T, G en C toeval is (een "bevroren ongeluk" uit de vroege evolutie) of dat er dieperliggende chemische redenen voor zijn. Dat raakt ook aan de zoektocht naar buitenaards leven: als leven elders is ontstaan, hoeft het niet noodzakelijk hetzelfde alfabet te gebruiken, en instrumenten die op aarde geoptimaliseerd zijn voor A-T-G-C zouden zulk leven kunnen missen.
Tot slot speelt bioveiligheid een rol. Organismen die afhankelijk zijn van een kunstmatige bouwsteen die in de natuur niet voorkomt, kunnen buiten het laboratorium niet overleven of zich voortplanten: raken ze de synthetische stof kwijt, dan valt hun DNA letterlijk uit elkaar bij de eerstvolgende celdeling. Dat werkt als een ingebouwde "genetische firewall" tegen ongewenste verspreiding van gemanipuleerde organismen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het onderzoeksteam van Floyd Romesberg aan het Scripps Research Institute in Californië publiceerde in 2014 in Nature dat het erin was geslaagd een levende E. coli-bacterie te maken die het kunstmatige basenpaar d5SICS-dNaM (ook wel X-Y genoemd) stabiel in zijn DNA kon behouden en doorgeven bij celdeling — het eerste levende organisme met een vergroot genetisch alfabet. In een vervolgstudie een aantal jaren later toonde dezelfde groep aan dat deze "semi-synthetische" bacterie de extra letters ook daadwerkelijk kon aflezen en vertalen naar eiwitten met niet-natuurlijke aminozuren erin.
Romesberg richtte mede op basis van dit werk het biotechbedrijf Synthorx op, dat de technologie gebruikte om een variant van het immuunmolecuul interleukine-2 (IL-2) te ontwikkelen — bekend onder de projectnamen THOR-707 en later SAR444245, met de merknaam nemvaleukin alfa. Door op een precieze plek een niet-natuurlijk aminozuur in te bouwen, kon daar een polymeer (PEG) worden vastgemaakt zonder de werkzame delen van het eiwit te verstoren, met als doel een effectiever en beter verdraagbaar kankermedicijn. Sanofi nam Synthorx in 2020 over voor ongeveer 2,5 miljard dollar; het middel is sindsdien in klinische ontwikkeling voor verschillende kankertypen, al is de precieze voortgang van trials aan verandering onderhevig en kan de status inmiddels zijn bijgesteld.
Los van deze lijn werkt scheikundige Steven Benner, verbonden aan de Foundation for Applied Molecular Evolution in Florida, al sinds de jaren negentig aan het zogeheten AEGIS-systeem (artificially expanded genetic information system), met kunstmatige basenparen als Z-P. Dat werk mondde in 2019 uit in de publicatie van "Hachimoji-DNA" in Science (met steun van NASA): een DNA-systeem met acht letters — de vier natuurlijke A, T, G, C aangevuld met vier synthetische basen — dat een voorspelbare, stabiele dubbele helix vormt en zelfs naar een RNA-achtige vorm kan worden overgeschreven.
In Japan ontwikkelde onderzoeker Ichiro Hirao bij het RIKEN-instituut het kunstmatige basenpaar Ds-Px, dat wordt gebruikt om aptameren te selecteren met een hogere bindingskracht dan met het gewone alfabet mogelijk is; dit werk kreeg een commercieel vervolg via een spinoffbedrijf. Ook het Amerikaanse diagnostiekbedrijf SomaLogic gebruikt aptameren met chemisch gemodificeerde bouwstenen (SOMAmers) om in bloedmonsters honderden eiwitten tegelijk te meten.
Hoe ver is de techniek?
Een vergroot genetisch alfabet bestaat op dit moment uitsluitend in het laboratorium; nergens in de natuur is een organisme gevonden dat van nature meer dan vier DNA-letters gebruikt. De technologie is de afgelopen tien tot vijftien jaar snel gerijpt: van een enkel kunstmatig basenpaar dat nauwelijks een celdeling overleefde, naar bacteriën die de extra letters generaties lang stabiel doorgeven én naar eiwitten vertalen.
De belangrijkste technische knelpunten zijn nauwkeurigheid en efficiëntie. De kopieermachine van de cel moet de synthetische basen vrijwel foutloos herkennen — een enkele verkeerd ingebouwde letter kan de code onbruikbaar maken. Ook is de aanmaak van de synthetische bouwstenen relatief duur en moeten cellen ze via een speciaal transporteiwit actief opnemen, omdat ze niet vanzelf door het celmembraan gaan. Het inbouwen van niet-natuurlijke aminozuren in eiwitten via extra letters werkt intussen betrouwbaar genoeg voor onderzoeksdoeleinden en voor de ontwikkeling van geneesmiddelkandidaten, maar is nog geen routinetechniek zoals reguliere eiwitproductie.
Toepassingen die al verder zijn dan het basisonderzoek, zoals aptameren voor diagnostiek en de IL-2-variant van Synthorx/Sanofi, bouwen voort op decennia chemisch ontwerpwerk en doorlopen inmiddels reguliere klinische en regulatoire trajecten — met de bijbehorende jarenlange doorlooptijden en onzekere uitkomst die bij elk nieuw geneesmiddel horen.
Wie werken eraan?
Het Scripps Research Institute in La Jolla, Californië, geldt als een van de bakermatten van onderzoek naar onnatuurlijke basenparen, met Floyd Romesberg als drijvende kracht achter het werk dat leidde tot Synthorx (inmiddels onderdeel van het Franse farmabedrijf Sanofi). In Florida richt de Foundation for Applied Molecular Evolution, onder leiding van Steven Benner, zich al decennia op het AEGIS-systeem en werkte daarbij samen met het Amerikaanse ruimtevaartagentschap NASA, dat geïnteresseerd is in de vraag welke vormen leven elders in het heelal zou kunnen aannemen. In Japan onderzoekt het RIKEN-instituut via Ichiro Hirao onnatuurlijke basenparen voor toepassingen in aptamertechnologie. Daarnaast houden diagnostiekbedrijven zoals het Amerikaanse SomaLogic zich bezig met de toepassing van chemisch verrijkte bouwstenen in eiwitdetectie. Het bredere veld van de synthetische biologie, met universiteiten en biotechbedrijven in de Verenigde Staten, Europa en Azië, bouwt in toenemende mate voort op deze fundamenten.