Transgenese: wat is het en hoe werkt het?
Stel je een boer voor die maïs teelt die zichzelf tegen insecten kan verdedigen, zonder ooit een druppel insecticide te spuiten. Of denk aan een geit die in haar melk een medicijn voor mensen met een bloedstollingsziekte produceert. Beide voorbeelden draaien om transgenese: het overbrengen van een stukje erfelijk materiaal (DNA, de moleculaire code die bepaalt hoe een organisme eruitziet en functioneert) van de ene soort naar het genoom van een andere soort. Het ontvangende organisme krijgt daardoor een eigenschap die het van nature nooit zou hebben gehad.
Een handige vergelijking: zie het genoom van een organisme als een kookboek vol recepten, waarbij elk gen een recept is dat een bepaald kenmerk oplevert, zoals de kleur van een bloem of de aanmaak van een bepaald eiwit. Bij transgenese knip je een recept uit een heel ander kookboek, bijvoorbeeld dat van een kwal, en plak je het in het kookboek van een muis. Het resultaat is een muis die, net als de kwal, een lichtgevend eiwit kan aanmaken. Dat klinkt futuristisch, maar het gebeurt al sinds de jaren tachtig in laboratoria en inmiddels ook op grote schaal in de landbouw.
Wat is het precies?
Transgenese verloopt in een aantal stappen. Eerst identificeren onderzoekers het gen dat de gewenste eigenschap veroorzaakt, bijvoorbeeld het gen dat een bacterie giftig maakt voor bepaalde insecten. Dat gen wordt geïsoleerd uit het DNA van de bronorganisme of tegenwoordig vaak chemisch nagemaakt (gesynthetiseerd) in een laboratorium.
Vervolgens bouwen wetenschappers een vector: een stukje DNA, vaak een ringvormig plasmide (een klein, los DNA-molecuul dat van nature in bacteriën voorkomt), waarin het gen wordt ingebouwd samen met een promotor. Een promotor is een schakelaar die bepaalt wanneer en in welk weefsel het gen actief wordt.
Daarna moet dit constructie het genoom van het doelorganisme binnendringen. Bij planten gebeurt dat vaak met de bodembacterie Agrobacterium tumefaciens, die van nature DNA in plantencellen inbrengt, of met een genkanon (biolistiek), waarbij microscopisch kleine goud- of wolfraamdeeltjes met daaraan DNA letterlijk de cel in worden geschoten. Bij dieren gebruikt men vaak micro-injectie, waarbij DNA met een piepklein naaldje direct in een bevruchte eicel wordt gespoten, of virale vectoren, waarbij een onschadelijk gemaakt virus als transportmiddel dient.
Omdat niet elke cel de nieuwe genetische code overneemt, voegen onderzoekers vaak een selectiemerker toe, zoals een gen voor resistentie tegen een antibioticum, zodat alleen de geslaagde cellen overleven in een selectief kweekmedium. Ten slotte wordt met technieken als PCR (een methode om stukjes DNA te vermenigvuldigen en te detecteren) gecontroleerd of het gen daadwerkelijk aanwezig is en tot expressie komt.
Transgenese verschilt van cisgenese, waarbij het ingebrachte gen afkomstig is van dezelfde soort of een soort waarmee van nature gekruist kan worden; er komt dus geen vreemd DNA van een compleet andere soort bij. Het verschilt ook van moderne genoombewerking met bijvoorbeeld CRISPR-Cas9, een techniek waarmee bestaande DNA-letters op een precieze plek geknipt of veranderd kunnen worden zonder dat er per se blijvend vreemd DNA wordt toegevoegd. Bij transgenese ligt de nadruk juist op het permanent inbouwen van DNA uit een andere soort.
Wat wil men ermee bereiken?
In de landbouw is het doel vaak gewassen weerbaarder of productiever te maken. Denk aan plaagresistentie, waarbij een plant zelf een stof aanmaakt die insecten weert, of herbicidetolerantie, waardoor een gewas onkruidverdelgers overleeft terwijl het onkruid eromheen sterft. Ook voedingswaarde is een doel: door extra genen in te bouwen kan een gewas vitamines of mineralen aanmaken die het van nature niet of nauwelijks bevat.
In de geneeskunde wordt transgenese gebruikt voor biofarming, het laten produceren van medicinale eiwitten door planten of dieren, vaak in melk, eieren of zaden. Daarnaast worden transgene muizen en ratten veelvuldig ingezet als ziektemodel: door een menselijk ziekteverwekkend gen in te bouwen, bootst het dier een menselijke aandoening na, wat onderzoek naar behandelingen mogelijk maakt.
In de industrie worden transgene micro-organismen ingezet om enzymen, biobrandstoffen of andere chemische stoffen efficiënter te produceren. En in fundamenteel onderzoek is transgenese simpelweg een gereedschap om te ontdekken wat een gen doet: door het uit te schakelen, te verplaatsen of extra tot expressie te brengen, leren biologen de functie van afzonderlijke genen kennen.
Voorbeelden uit de praktijk
GloFish was in 2003 het eerste commercieel verkochte transgene huisdier in de Verenigde Staten. Het bedrijf Yorktown Technologies bracht fluorescerende zebravisjes op de markt met genen van kwallen en koraal, waardoor de visjes onder speciaal licht helder oplichten.
Golden Rice is rijst waarin genen zijn ingebouwd die bètacaroteen aanmaken, de stof die het lichaam omzet in vitamine A. Het project, rond 2000 gepubliceerd door de wetenschappers Ingo Potrykus en Peter Beyer, moest vitamine A-tekort bestrijden in landen waar rijst het hoofdvoedsel is. Pas in 2021, na jarenlange discussie over veiligheid en regelgeving, werd de rijst goedgekeurd voor teelt op de Filipijnen.
De AquAdvantage-zalm van het bedrijf AquaBounty Technologies is een Atlantische zalm met een groeihormoongen van de Chinookzalm, gekoppeld aan een promotor van de zeewolf, waardoor de vis ongeveer twee keer zo snel groeit als een gewone kweekzalm. De Amerikaanse voedsel- en warenautoriteit FDA keurde de vis in 2015 goed als eerste transgene dier voor menselijke consumptie; sinds 2017 wordt hij in Canada verkocht en sinds 2021 ook in de Verenigde Staten.
ATryn is het eerste medicijn dat ooit uit een transgeen dier is gehaald. Het bedrijf GTC Biotherapeutics ontwikkelde geiten die in hun melk het menselijke eiwit antitrombine produceren, een stof die bij mensen met een aangeboren tekort bloedstolsels helpt voorkomen. De Europese Unie keurde het middel in 2006 goed, de FDA volgde in 2009.
Tot slot zijn Bt-gewassen, zoals Bt-katoen en Bt-maïs, sinds het midden van de jaren negentig door onder meer Monsanto (nu onderdeel van Bayer) op de markt gebracht. Deze gewassen bevatten een gen uit de bodembacterie Bacillus thuringiensis dat een eiwit aanmaakt dat giftig is voor specifieke insectenlarven, maar onschadelijk voor mensen.
Hoe ver is de techniek?
Transgene gewassen worden sinds 1996 op grote schaal geteeld, vooral soja, maïs, katoen en koolzaad, in landen als de Verenigde Staten, Brazilië, Argentinië, Canada en India. De internationale organisatie ISAAA houdt de wereldwijde adoptie van deze gewassen bij en rapporteert al jaren over honderden miljoenen hectares aan transgene teelt.
In de Europese Unie ligt dat anders: door de strenge regelgeving, met name Richtlijn 2001/18/EG over genetisch gemodificeerde organismen, is commerciële teelt van transgene gewassen vrijwel afwezig, hoewel import van transgene soja en maïs voor veevoer wel is toegestaan.
Transgenese bij dieren verloopt beduidend trager en kent maar weinig goedkeuringen. Het traject van de AquAdvantage-zalm, van de eerste onderzoeken tot de definitieve marktgoedkeuring, duurde ongeveer vijfentwintig jaar, vooral door langdurige veiligheidsbeoordelingen.
Nieuwere technieken zoals CRISPR-Cas9 verdringen intussen deels de klassieke transgenese, omdat gene editing vaak vergelijkbare resultaten oplevert zonder dat er permanent vreemd DNA wordt ingebouwd, wat in sommige landen tot lichtere regelgeving leidt. In de EU oordeelde het Hof van Justitie echter in 2018 dat ook met CRISPR bewerkte gewassen onder de bestaande GGO-regelgeving vallen, wat de introductie daar vertraagt. Over het geheel genomen zijn het dus minder de technische mogelijkheden dan de regelgeving en het maatschappelijk draagvlak die bepalen hoe snel transgenese wordt toegepast.
Wie werken eraan?
Op het gebied van landbouw zijn Bayer (de opvolger van Monsanto), Corteva Agriscience, Syngenta en BASF de grootste commerciële spelers. Voor transgene dieren zijn AquaBounty Technologies (zalm) en Oxitec (transgene insecten, onder meer voor de bestrijding van ziekteverspreidende muggen) belangrijke namen.
Op onderzoeksgebied lopen instituten voorop zoals Wageningen University & Research in Nederland, het John Innes Centre in het Verenigd Koninkrijk, CSIRO in Australië, de Chinese Academy of Agricultural Sciences en USDA ARS in de Verenigde Staten.
Qua landen lopen de Verenigde Staten, Brazilië, Argentinië, Canada, India en China voorop in de daadwerkelijke teelt van transgene gewassen, terwijl de Europese Unie door haar regelgeving een stuk terughoudender is. Internationale organisaties als ISAAA volgen de wereldwijde adoptie, terwijl EFSA in Europa en de FDA in de Verenigde Staten verantwoordelijk zijn voor de veiligheidsbeoordeling en goedkeuring van nieuwe transgene producten.