Kennisbank › Synthetische biologie & kunstmatig DNA
Synthetische biologie: leven ontwerpen met kunstmatig DNA
Stel je voor dat je niet alleen boeken kunt lezen, maar ook nieuwe boeken kunt schrijven in een bestaande taal — en dat die taal toevallig de code van het leven zelf is. Dat is in essentie wat synthetische biologie doet. Wetenschappers ontwerpen stukjes DNA op de computer, laten ze chemisch aanmaken en bouwen daarmee cellen die dingen kunnen die de natuur nooit heeft bedacht: medicijnen aanmaken, plastic afbreken, of licht laten oplichten als er gif in het water zit.
Een bekend voorbeeld: de coronavaccins van Moderna en BioNTech/Pfizer bevatten synthetisch gemaakt mRNA, een stukje genetische code dat in een laboratorium is samengesteld op basis van een computerontwerp van het virus. Dat is synthetische biologie in de praktijk, en het liet zien hoe snel je met ontworpen genetisch materiaal kunt reageren op een wereldwijd probleem. Dit artikel legt uit hoe die technologie werkt, wat de ambities zijn, welke doorbraken er al zijn en wie voorop lopen.
Wat is het precies?
DNA is de moleculaire code waarin alle instructies voor een levend organisme zijn opgeslagen, opgebouwd uit vier bouwstenen (A, C, G en T) die in een specifieke volgorde achter elkaar staan. Normaal gesproken lezen biologen die code alleen af, bijvoorbeeld om te bepalen welke genen een ziekte veroorzaken. Synthetische biologie draait die volgorde om: de code wordt eerst op een computer ontworpen, en pas daarna in het lab werkelijk gemaakt.
Dat ontwerpen gebeurt met behulp van standaardonderdelen, vaak 'BioBricks' genoemd: kant-en-klare stukjes DNA met een vaste functie, zoals een 'aan-knop' voor een gen of een instructie om een bepaald eiwit te maken. Onderzoekers combineren die onderdelen zoals je met Lego-blokjes een bouwwerk samenstelt, in software die specifiek voor dit doel is ontwikkeld.
Vervolgens komt de fase van DNA-synthese: gespecialiseerde bedrijven met chemische machines 'printen' de ontworpen volgorde molecuul voor molecuul. Dat DNA wordt daarna in een cel gebracht, meestal een bacterie (zoals E. coli) of gist, die het als eigen genetisch materiaal gaat gebruiken. De cel leest de nieuwe code en gaat volgens de nieuwe instructies eiwitten aanmaken.
Een aparte, verdergaande tak probeert niet alleen bestaand DNA na te bootsen, maar ook de bouwstenen zelf uit te breiden. Onderzoekers hebben bijvoorbeeld twee extra, kunstmatige DNA-letters toegevoegd aan het normale alfabet van vier, waardoor een cel in theorie eiwitten kan maken met aminozuren die in de natuur niet bestaan. Zulke organismen worden 'semisynthetisch' genoemd, omdat ze deels op natuurlijk DNA draaien en deels op door mensen uitgevonden bouwstenen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is dat cellen al miljarden jaren de beste 'fabrieken' ter wereld zijn: ze bouwen zichzelf, repareren zichzelf en maken met weinig energie zeer complexe moleculen. Synthetische biologie wil die fabrieken herprogrammeren voor menselijke doelen, in plaats van dat we dure chemische fabrieken bouwen.
In de geneeskunde hoopt men op goedkopere en snellere productie van medicijnen, vaccins en therapieën op maat, zoals cellen die kankercellen herkennen en aanvallen. In de industrie wil men gewassen, bacteriën of gist gebruiken om biobrandstof, bioplastic of geurstoffen te produceren zonder aardolie. In het milieu wordt onderzocht of ontworpen micro-organismen vervuiling kunnen afbreken of CO2 kunnen vastleggen.
Een meer fundamenteel doel is simpelweg begrijpen wat het minimale recept voor leven is: als je een genoom steeds verder kunt versimpelen tot alleen de essentiële genen overblijven, leer je wat 'leven' op zijn kern precies vereist. Dat is meer een wetenschappelijke zoektocht dan een directe toepassing, maar wel een die ons begrip van biologie fundamenteel verdiept.
Voorbeelden uit de praktijk
JCVI-syn3.0 (2016). Het J. Craig Venter Institute in de Verenigde Staten bouwde een bacterie met slechts 473 genen, het kleinste functionerende genoom dat ooit kunstmatig is samengesteld. Het doel was uitzoeken wat het absolute minimum aan genetische informatie is waarmee een cel nog zelfstandig kan leven en zich delen.
Synthetic Yeast Genome Project (Sc2.0). Een internationaal consortium van universiteiten herschreef stap voor stap alle zestien chromosomen van bakkersgist met synthetisch DNA, met als doel een volledig door mensen ontworpen versie van een organisme met een celkern (in tegenstelling tot de eenvoudiger bacteriën). Het project, gestart in 2011, naderde in de afgelopen jaren zijn voltooiing met bijdragen van laboratoria in onder meer de VS, het Verenigd Koninkrijk en China.
Uitgebreid genetisch alfabet (Scripps Research, vanaf 2014). De groep van scheikundige Floyd Romesberg voegde twee extra, kunstmatige DNA-bouwstenen toe aan een E. coli-bacterie, die deze stabiel bleef doorgeven bij celdeling. Later werd de bacterie ook daadwerkelijk eiwitten laten maken met onnatuurlijke aminozuren, een stap richting volledig nieuwe soorten eiwitten.
mRNA-vaccins tegen covid-19 (2020). Moderna en BioNTech ontwierpen binnen enkele dagen na het vrijgeven van de virusgenetica een synthetische mRNA-code die het lichaam aanzet om een onschadelijk stukje virus-eiwit te maken, waarna het afweersysteem leert dit te herkennen. Dit liet zien hoe snel ontworpen genetisch materiaal ingezet kan worden bij een acute noodsituatie.
Industriële biofabricage door Ginkgo Bioworks. Dit Amerikaanse bedrijf ontwerpt op grote schaal micro-organismen in opdracht van andere bedrijven, van geurstoffen tot landbouwbacteriën, en gebruikt daarbij geautomatiseerde laboratoria die duizenden DNA-ontwerpen tegelijk kunnen testen.
Hoe ver is de techniek?
Het maken van korte, eenvoudige stukjes synthetisch DNA is inmiddels routine en relatief goedkoop; bedrijven als Twist Bioscience leveren dagelijks bestellingen aan laboratoria wereldwijd. Het combineren van zulke stukjes tot een heel functionerend genoom, zoals bij de gist- of bacterieprojecten, is echter nog steeds jaren werk en vereist grote teams.
Het grootste obstakel is niet het schrijven van DNA, maar het voorspellen van het effect. Een levende cel is een extreem complex systeem waarin duizenden genen op elkaar inwerken; een verandering die op papier logisch lijkt, gedraagt zich in de praktijk vaak onvoorspelbaar. Onderzoekers spreken daarom weleens van 'biologie is geen software' — je kunt niet zomaar compileren en verwachten dat het meteen werkt.
Kostprijs is een tweede beperking: hoewel DNA-synthese jaarlijks goedkoper wordt, is het bouwen van een compleet, werkend synthetisch genoom nog altijd een miljoenenproject. Regelgeving vormt een derde drempel, omdat synthetische organismen in veel landen, waaronder Nederland en de rest van de EU, streng worden beoordeeld op veiligheid voor mens en milieu voordat ze buiten een laboratorium mogen worden gebruikt.
Tot slot is er een blijvende discussie over bioveiligheid: hoe voorkom je dat kennis en technieken die bedoeld zijn voor nuttige doelen, misbruikt worden om schadelijke organismen te maken? Dit is een van de redenen waarom veel DNA-synthesebedrijven bestellingen automatisch screenen op verdachte sequenties.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten lopen het J. Craig Venter Institute en het Massachusetts Institute of Technology (MIT) voorop in fundamenteel onderzoek naar minimale genomen en biologische ontwerpprincipes. Commercieel zijn bedrijven als Ginkgo Bioworks, Twist Bioscience en Amyris toonaangevend in respectievelijk het ontwerpen van organismen, het synthetiseren van DNA en het produceren van biogebaseerde stoffen.
In Europa doet onder meer het Zwitserse ETH Zürich baanbrekend werk op het gebied van biologische 'schakelingen' die cellen aansturen, en werkt Imperial College London aan een van de centra van het internationale Sc2.0-gistproject. In Nederland zijn de TU Delft en Wageningen University & Research de belangrijkste onderzoekscentra; Delft combineert synthetische biologie met technische wetenschappen, terwijl Wageningen zich vooral richt op toepassingen in voeding en landbouw.
Daarnaast financieren overheidsinstanties zoals de Amerikaanse National Institutes of Health (NIH), de Europese Unie via Horizon Europe-programma's en in Nederland de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) veel van het fundamentele onderzoek op dit terrein.