Genetisch aangepaste bacterie veilig de natuur in

Het maken van genetisch aangepaste bacteriën met nieuwe, nuttige functies gebeurt op grote schaal. Toepassingen blijven echter uit, veelal omdat men bang is dat zulke onnatuurlijke bacteriën zich in de natuur gaan verspreiden. Amerikaanse wetenschappers hebben nu een veiligheidsmechanisme ontwikkeld dat deze kans aanzienlijk verkleint.

22 januari 2015

Het idee achter het veiligheidsmechanisme is om bacteriën volledig afhankelijk te maken van aminozuren die in de natuur niet voorkomen. Mocht een bacterie ontsnappen, dan kan hij deze aminozuren nergens vinden en gaat hij dus dood. Synthetisch bioloog Farren Isaacs (Yale University) beperkte de groei van een E. coli bacterie door de expressie van een aantal belangrijke genen afhankelijk te maken van onnatuurlijke aminozuren. Zijn collega, moleculair geneticus George Church (Harvard Medical School), maakte E. coli afhankelijk van deze aminozuren door het DNA dat codeert voor essentiële enzymen te herontwerpen. Beide studies verschijnen deze week in vakblad Nature.

Verschillende veiligheidslagen

Isaacs en Church maakten in 2013 samen een E. coli bacterie met een radicaal aangepast genoom, een GRO. GRO staat voor genomically recoded organism, omdat de genetische code van de bacterie volledig gemaakt werd door de onderzoekers. “Maar als je zo’n bacterie hebt gemaakt, kun je daar niet zomaar van alles mee gaan doen”, zegt Church. “Als je een nieuwe auto ontwerpt, bouw je daar eerst gordels en airbags in. Dus als je een bacterie met een radicaal aangepast genoom maakt, moet je ook veiligheid inbouwen. Bijvoorbeeld door zijn leven afhankelijk te maken van iets dat alleen jij kunt geven.”

De wetenschappers gingen daar, ieder op hun eigen manier, mee aan de slag. Isaacs paste het DNA van de E. coli bacterie zo aan dat genen, die van belang zijn voor de groei van de bacterie, alleen worden geactiveerd in aanwezigheid van een synthetisch aminozuur. Hij bedacht zelfs een systeem met verschillende veiligheidslagen, wat moet voorkomen dat een bacterie die afhankelijk is gemaakt van bijvoorbeeld aminozuur A ook goed kan groeien in een omgeving met onnatuurlijk aminozuur B.

Genetisch aangepaste bacteriën vinden hun toepassingen nu vooral in de industrie. Ze worden gekweekt in afgesloten kweekvaten.
Stichting Biowetenschappen en Maatschappij

Genoom engineering

Chruch pakte het iets subtieler aan. Hij maakte het metabolisme afhankelijk van een synthetisch aminozuur. Zonder dat aminozuur kan E. coli zijn genetische materiaal niet omzetten in functionele eiwitten, een van de meest basale functies van de bacterie. Church beschrijft zijn onderzoek als het eerste voorbeeld van ‘genoom engineering’. “We hebben niet alleen een paar genen veranderd, maar ook een nieuw aminozuur geïntroduceerd en de bacterie daar zelfs volledig van afhankelijk gemaakt”, legt hij uit.

Genetisch aangepaste bacteriën kunnen allerlei nuttige stoffen voor ons maken, zoals medicijnen, nieuwe chemicaliën of biobrandstof. Het is ook mogelijk ze in te zetten om bijvoorbeeld milieuverontreinigingen op te ruimen of ziektes op te sporen in het lichaam. Maar dan moeten we wel zeker weten dat dit veilig gebeurt en dat de aangepaste bacterie niet ongeremd overal gaat groeien.

Kill switch

Wetenschappers onderkennen dat probleem al langer en bedachten er ook al oplossingen voor. De meeste bacteriën kunnen alle aminozuren die ze nodig hebben zelf aanmaken. Het is mogelijk om een bacterie genetisch zo aan te passen dat hij natuurlijk voorkomende aminozuren niet meer creëert. Maar sommige bacteriën gaan dan het aminozuur uit hun omgeving opnemen. Of ze slagen er, door mutaties of het uitwisselen van stukjes DNA met andere bacteriën, na een tijdje wel weer om het aminozuur zelf te maken.

Een andere populaire oplossing is de kill switch, een soort schakelaar die de bacterie gevoelig maakt voor een gifstof op het moment dat hij op een verkeerde plek terecht komt. De bacterie wordt dan snel opgeruimd en richt dus geen schade aan, is het idee. Het enige wat je hoeft te doen om de kill switch te blokkeren, is hem uitschakelen. Ook dit kan de bacterie met een paar mutaties vrij makkelijk voor elkaar krijgen.

Ongedaan maken

Het is veel moeilijker om een bacterie weer onafhankelijk te maken van een synthetisch aminozuur. Isaacs en Church brachten veranderingen aan door het hele genoom. “Er waren 49 genetische veranderingen nodig om de E. coli te maken”, vertelt Church. “De kans dat de bacterie al deze veranderingen ongedaan kan maken zonder daarbij schadelijke mutaties op te lopen, is uitermate klein.”

Bronnen:

Alexis Rovner e.a. Recoded organisms engineered to depend on synthetic amino acids Nature, 21 januari 2015 (online), doi:10.1038/nature14095
Daniel Mandell e.a. Biocontainment of genetically modified organisms by synthetic protein design Nature, 21 januari 2015 (online), doi:10.1038/nature14121

Reageer