Multiplex-genoombewerking: in één keer tientallen genen tegelijk aanpassen
Stel je een heel dik boek voor met daarin de complete bouwtekening van een levend wezen: het DNA. Gewone gentherapie werkt vaak als het corrigeren van één typefout op één pagina van dat boek. Multiplex-genoombewerking is iets heel anders: daarbij worden tientallen, soms honderden typefouten op verschillende pagina's tegelijk gecorrigeerd, in één en dezelfde bewerkingsronde. "Multiplex" betekent hier simpelweg "veelvoudig": meerdere plekken in het erfelijk materiaal worden gelijktijdig aangepakt in plaats van na elkaar.
Dat klinkt misschien als een technisch detail, maar het is precies dit vermogen dat sommige van de meest opvallende doorbraken in de biotechnologie van de afgelopen jaren mogelijk heeft gemaakt. Zo hadden de varkens waarvan in 2022 en 2024 organen naar mensen werden getransplanteerd, niet één of twee, maar tientallen aanpassingen in hun DNA nodig om veilig en bruikbaar te zijn. Zonder multiplex-technieken zou dat jaren, zo niet decennia langer hebben geduurd.
Wat is het precies?
De basis van moderne genoombewerking is CRISPR-Cas9, een systeem dat oorspronkelijk afkomstig is uit bacteriën, die het gebruiken als een soort immuunsysteem tegen virussen. Het bestaat uit twee onderdelen: een gids-RNA (guide RNA), een kort stukje genetisch materiaal dat als een GPS-adres naar een specifieke plek in het DNA wijst, en het Cas-eiwit, een molecuul dat op die aangewezen plek de DNA-streng doorknipt. De cel repareert die knip vervolgens zelf, en tijdens dat reparatieproces kan een onderzoeker een gen uitschakelen, een foutje corrigeren, of een nieuw stukje DNA laten invoegen.
Bij gewone, "enkelvoudige" bewerking gebruik je één gids-RNA voor één plek. Bij multiplex-bewerking breng je meerdere gids-RNA's tegelijk in dezelfde cel, elk gericht op een ander gen. Het Cas-eiwit gaat dan, als het ware, langs meerdere adressen in één werkdag in plaats van één adres per dag. Dat kan op een paar manieren: door meerdere afzonderlijke gids-RNA's tegelijk te injecteren of te leveren, of door ze als een aaneengeschakelde "array" op één DNA-constructie te zetten die de cel zelf in losse stukjes knipt.
Een variant van het Cas-eiwit, Cas12a (ook wel Cpf1 genoemd), is voor dit laatste extra geschikt: dit eiwit kan zelf zo'n aaneengeschakelde reeks gids-RNA's in stukken verwerken, wat multiplexen technisch eenvoudiger maakt dan met het klassieke Cas9. Ook nieuwere, preciezere varianten zoals base editing (het één-voor-één omzetten van een DNA-letter zonder de streng echt door te knippen) en prime editing (een soort "zoek-en-vervang"-functie voor DNA) worden inmiddels multiplex ingezet, wat het risico op ongewenste nevenschade bij het knippen kan verkleinen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is snelheid en efficiëntie. Veel eigenschappen van een organisme worden niet door één gen bepaald, maar door de samenwerking van meerdere genen. Wie een gewas wil telen dat tegelijk droogtebestendig, ziekteresistent én voedzamer is, moet in theorie meerdere genen aanpassen. Dat één voor één doen, met telkens nieuwe generaties kweken en selecteren, kan jaren duren. Multiplex-bewerking maakt het mogelijk om al die aanpassingen in één stap door te voeren.
Een tweede drijfveer is het omzeilen van genetische redundantie: vaak doen meerdere, sterk op elkaar lijkende genen ongeveer hetzelfde werk, zodat het uitschakelen van slechts één ervan weinig effect heeft omdat de andere het overnemen. Om een eigenschap echt te veranderen, moet je soms alle vergelijkbare genen tegelijk uitschakelen.
Een derde, heel concrete toepassing is het geschikt maken van dierlijke organen voor transplantatie naar mensen (xenotransplantatie). Daarvoor moeten tegelijk virussen in het varkens-DNA worden uitgeschakeld, eiwitten worden verwijderd die een afweerreactie van het menselijk lichaam uitlokken, én menselijke genen worden toegevoegd om het orgaan compatibeler te maken. Dat zijn al gauw tientallen aanpassingen tegelijk.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal spraakmakende projecten laat zien hoe multiplex-bewerking inmiddels wordt toegepast:
- eGenesis, 2017: onderzoekers van het Amerikaanse bedrijf eGenesis, verbonden aan Harvard-wetenschapper George Church, gebruikten CRISPR om tientallen kopieën van een virus dat van nature in het varkensgenoom zit (het porcine endogenous retrovirus, PERV) tegelijk te inactiveren in varkenscellen. Dat was destijds een van de grootste aantallen gelijktijdige genoombewerkingen ooit in een levend zoogdiercelsysteem uitgevoerd, en vormde de basis voor latere xenotransplantatie-varkens.
- Xenotransplantatie-varkens van Revivicor/United Therapeutics: deze varkens ondergingen meerdere gelijktijdige gen-aanpassingen (afstotingsgenen uitgeschakeld, menselijke genen toegevoegd) en leverden onder meer het varkenshart dat in januari 2022 bij patiënt David Bennett aan de University of Maryland Medical Center werd getransplanteerd.
- eGenesis-nier, 2024: een varken met tientallen gelijktijdige genetische aanpassingen (een combinatie van virusinactivatie, verwijderde afstotingsgenen en toegevoegde menselijke genen) leverde de nier die in 2024 aan het Massachusetts General Hospital bij een levende patiënt werd getransplanteerd, een mijlpaal voor de xenotransplantatie.
- Multiplex gewasveredeling in rijst: Chinese onderzoeksgroepen lieten zien dat met één CRISPR-constructie meerdere genen tegelijk in rijst konden worden uitgeschakeld of aangepast, waarmee in één teeltronde combinaties van eigenschappen (zoals korrelvorm, resistentie en opbrengst) konden worden gecreëerd die normaal jarenlang kruisen zouden vergen.
- Allogene celtherapie: bedrijven als Beam Therapeutics ontwikkelen kant-en-klare (allogene) afweercel-therapieën tegen bloedkanker waarbij met multiplex base editing tegelijkertijd meerdere genen in donor-immuuncellen worden aangepast: het eigen T-celreceptor-gen wordt uitgeschakeld om afstoting te voorkomen, een markereiwit wordt verwijderd zodat de cellen niet elkaar aanvallen, een controlepunt van het immuunsysteem wordt uitgeschakeld om de werking te versterken, en er wordt een nieuw "zoek-gen" ingebouwd dat de cellen naar de kankercellen leidt.
Hoe ver is de techniek?
Het aantal genen dat betrouwbaar tegelijk kan worden bewerkt, is de afgelopen tien jaar sterk gegroeid: van een paar genen begin jaren 2010 naar tientallen tot ruim zeventig gelijktijdige aanpassingen in de meest geavanceerde xenotransplantatie-varkens van nu. Voor eencellige organismen zoals bacteriën zijn met verwante, niet-CRISPR-gebaseerde technieken zoals MAGE (multiplex automated genome engineering) zelfs al honderden aanpassingen tegelijk doorgevoerd, bijvoorbeeld in een bekend experiment uit het Church-lab waarbij een groot deel van alle stopcodons in het genoom van de bacterie E. coli in één geïtereerd proces werd herschreven.
Toch zijn er duidelijke grenzen en obstakels. Hoe meer plekken tegelijk worden geknipt, hoe groter de kans op off-target effecten: ongewenste bewerkingen op plekken die niet bedoeld waren. Ook kunnen meerdere gelijktijdige knippen in het DNA leiden tot grote, onbedoelde herschikkingen tussen chromosomen, iets wat bij enkelvoudige bewerking veel minder speelt. Het leveren van meerdere gids-RNA's en het Cas-eiwit tegelijk aan een cel is technisch lastiger, zeker bij virale vectoren die maar een beperkte hoeveelheid genetisch materiaal kunnen vervoeren. En het controleren of alle beoogde bewerkingen ook echt correct zijn doorgevoerd, vergt uitgebreide en dure DNA-sequencing van het hele genoom, niet alleen van de beoogde plekken.
Bewerking van menselijke geslachtscellen of embryo's (kiembaanbewerking), waarbij veranderingen erfelijk worden, blijft wereldwijd vrijwel overal verboden voor klinisch gebruik, mede vanwege deze onzekerheden. De vooruitgang concentreert zich dus vooral op lichaamscellen (somatische bewerking, niet-erfelijk), dieren en planten.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten lopen enkele van de meest vergaande toepassingen: eGenesis (mede opgericht door Harvard-onderzoeker George Church en Luhan Yang) en Revivicor/United Therapeutics ontwikkelen multiplex-bewerkte varkens voor xenotransplantatie. Beam Therapeutics, Intellia Therapeutics en Caribou Biosciences passen multiplex base editing toe voor celtherapieën tegen kanker en erfelijke ziekten. Op onderzoeksgebied leveren instituten als het Broad Institute (verbonden aan MIT en Harvard) en het Innovative Genomics Institute in Berkeley (mede opgericht door Nobelprijswinnaar Jennifer Doudna) belangrijke technische doorbraken, waaronder verbeterde Cas-varianten die multiplexen vergemakkelijken.
In de plantenveredeling is China, met verschillende academische instituten, actief in multiplex-bewerking van gewassen als rijst en tarwe. Ook in Nederland wordt hieraan gewerkt: Wageningen University & Research doet onderzoek naar CRISPR-gentechnieken in gewassen, met oog voor zowel de wetenschappelijke mogelijkheden als de maatschappelijke en regelgevende kant. Die regelgevende kant wordt in Nederland mede bewaakt door de Commissie Genetische Modificatie (COGEM), die de overheid adviseert over de risico's van (multiplex-)genoombewerking, en op Europees niveau door instanties zoals de EFSA (Europese Voedselveiligheidsautoriteit) als het om gewassen gaat.