Je leest:

Craig Venters onderzoekslab bouwt compleet bacterie-DNA

Craig Venters onderzoekslab bouwt compleet bacterie-DNA

Auteur: | 1 februari 2008

Het is onderzoekers van het Amerikaanse J. Craig Venter Institute gelukt het volledige DNA van de bacterie Mycoplasma genitalium in het laboratorium na te bouwen. Vorige week rapporteerden ze deze belangrijke stap in de richting van volledig kunstmatige organismen in de online editie van het wetenschappelijke tijdschrift Science. Deze week werd duidelijk dat de namen van het instituut en enkele onderzoekers bij wijze van ‘handtekening’ in het synthetische genoom zijn opgenomen. De Amerikanen zijn op weg naar een Mycoplasma laboratorium; een kunstmatige bacterie met nauwkeurig instelbare eigenschappen, bijvoorbeeld voor de productie van biobrandstoffen.

Meer dan een half miljoen baseparen in de juiste volgorde achter elkaar zetten, dat is goedbeschouwd de belangrijkste verdienste van de Amerikaanse onderzoekers. Toch is dat in de wereld van het genoomonderzoek niet zo heel veel. Het genoom van de bacterie Mycoplasma genitalium bevat de kortst bekende DNA-keten van een zelfstandig levend organisme, opgerold tot één cirkelvormig chromosoom. Ter vergelijking: het complete DNA in de 23 chromosoomparen van ons menselijk genoom is maar liefst drie miljard baseparen lang.

Microscooppnamen van het genoom van Mycoplasma genitalium. Beeld: JCVI

Evengoed is de realisatie van een volledig synthetische DNA-keten van 582.970 baseparen een prestatie van formaat. Met de beschikbare techologie voor de synthese van DNA is een lengte van enkele tienduizenden baseparen tot nu toe het maximaal haalbare gebleken. Hele lange ketens zijn nogal bros en het is moeilijk ze heel te houden. De onderzoekers van het J. Craig Venter Institute in Rockville in de Amerikaanse staat Maryland ontwikkelden daarom een vijfstaps ‘assemblageproces’ om het synthetische genoom samen te stellen uit relatief korte stukken gesynthetiseerd DNA.

Koppelen

Ze gingen van start met de identificatie van 101 DNA-fragmenten met een lengte van 5000 tot 7000 baseparen, uitgaand van de complete ‘kaart’ van het bacteriële genoom. Ze bestelden deze fragmenten bij bedrijven als Blue Heron en DNA 2.0, die zich hebben gespecialiseerd in de chemische synthese van DNA. Blue Heron maakte een jaar geleden het naar eigen zeggen langste commercieel gesynthetiseerde DNA-fragment met een lengte van 52.000 baseparen. Volgens een persbericht van het bedrijf was de synthese van bepaalde fragmenten van het Mycoplasma genitalium DNA beslist geen gesneden koek. Er moest een nieuwe DNA-synthese aanpak voor ontwikkeld worden.

Synthetic Genomics

Deze schematische weergave geeft zicht op de werkwijze in synthetic genomics van het gelijknamige bedrijf van J. Craig Venter. Klik op het plaatje voor een grotere versie

Dankzij strategisch gekozen overlappende delen konden de onderzoekers bij het J. Craig Venter Institute de losse fragmenten vervolgens met enzymen aan elkaar plakken. Bij de eerste stap werden steeds vier fragmenten gecombineerd tot DNA stukken met een lengte van ongeveer 24.000 baseparen. Met behulp van de bacterie Escherichia Coli vermeerderden ze deze fragmenten tot hoeveelheden die nodig waren voor de volgende stappen in het proces en voor precieze analyse van de samenstelling van het DNA.

Het enzymatisch koppelen van steeds grotere fragmenten leidde tot delen met een lengte van 1/4 van het genoom. Uiteindelijk gebruikten de onderzoekers de gistcel Saccharomyces cerevisiae om deze grote brokstukken aan elkaar koppelen tot het complete synthetische genoom. DNA analyse bevestigde de juiste structuur van het synthetische DNA.

IJdel

Het synthetische bacteriegenoom is Mycoplasma genitalium JCVI-1.0 gedoopt: versie 1.0 van het J. Craig Venter Institute. Het is het onderzoekslab van dé J. Craig Venter, bekend van de ‘race’ naar de opheldering van de structuur van het menselijk genoom. Venter ging met zijn bedrijf Celera Genomics de concurrentie aan met internationale, publiek gefinancierde Human Genome Project. Enige ijdelheid is deze ‘Bill Gates van de genetica’ niet vreemd. Zo blijkt hij deze keer niet alleen in de naamgeving van het bacteriële genoom naar zichzelf te verwijzen, maar ook in de samenstelling van het DNA zélf.

Om er voor te zorgen dat het synthetische genoom te onderscheiden is van de natuurlijke versie brachten de JCVI onderzoekers namelijk enkele wijzigingen aan in de structuur. Allereerst modificeerden ze een cruciaal gen om de pathogene (ziekmakende) biologische activiteit te minimaliseren. Daarnaast brachten ze enkele ‘watermerken’ aan in biochemisch niet-betekenisvolle DNA-stukjes tussen de genen. Venter gaf zelf geen uitsluitsel over de precieze samenstelling van deze watermerken. Wel zei hij tegen de New York Times dat het om ‘gecodeerde berichten’ ging.

Drie basen op een DNA streng bevatten de genetische code voor de productie van één enkel aminozuur. Levende organismen vervaardigen eiwitten, opgebouwd uit aminozuren, na het aflezen van DNA. De ontwikkelaars van het synthetische Mycoplasma genoom verstopten vijf ‘watermerken’ in het DNA door een reeks basentrio’s in te bouwen die corresponderen met specifieke aminozuren. Uit de éénletterige afkortingen van deze aminozuren liet zich vervolgens de ‘geheime’ informatie aflezen.

De Amerikaanse wetenschapsblog Wired Science meldde deze week dat onderzoekers van het Amerikaanse National Center for Biotechnology Information (NCBI) die puzzel hadden opgelost. Hun bevindingen zijn inmiddels bevestigd door een woordvoerster van Venter. De watermerken bestaan uit korte DNA-stukjes die corresponderen met aminozuren waarvan de éénlettercodes de namen van het instituut en de onderzoekers vormen: VENTERINSTITVTE, CRAIGVENTER, HAMSMITH, CINDIANDCLYDE en GLASSANDCLYDE. De tweede ’V" in VENTERINSTITVTE is een noodgreep omdat DNA niet kan coderen voor een aminozuur met de code U. CRAIGVENTER spreekt voor zich; de andere watermerken bevatten namen van de belangrijkste betrokken onderzoekers onder leiding van Nobelprijswinnaar Hamilton Smith (HAMSMITH).

Mycoplasma laboratorium

Hoe significant deze stap ook is in de synthese van DNA, echte betekenis kan het nieuwe genoom pas krijgen als het in een omgeving wordt gebracht waarin het biologisch actief kan zijn. Die test is nog niet gedaan, maar de onderzoekers van Venter zijn al een eind op weg. In augustus 2007 publiceerden ze in Science een artikel waarin ze lieten zien het genoom van het Mycoplasma genitalium te kunnen vervangen door dat van een andere soort. De volgende stap is om het te vervangen door het synthetisch genoom en vast te stellen in hoeverre dit ‘synthetisch gereguleerde’ organisme levensvatbaar is. Dat is gemakkelijker gezegd dan gedaan, maar Venter denkt toch dat het in 2008 nog zover zou kunnen zijn.

Ondertussen werkt Venter ook aan zijn ‘minimal genome project’ waarin hij op basis van Mycoplasma genitalium een organisme wil maken met het minimale aantal genen dat nodig is om het biologisch te laten functioneren. Naar schatting zijn dat er rond 385. De naam is er al: Mycoplasma laboratorium, en Venter vroeg er vorig jaar al octrooi op aan. Met de publicatie van het volledig synthetische genoom heeft hij nu laten zien in staat te zijn DNA volledig uit het niets te kunnen opbouwen. Het zal dus niet zo heel lang meer duren voor Mycoplasma laboratorium werkelijk het daglicht zal zien.

Venter ziet grote mogelijkheden om zo’n uitgekleed organisme van nuttige biologische functionaliteit te voorzien. Voor de productie van schone, duurzame brandstoffen bijvoorbeeld, of voor het vastleggen van atmosferisch CO2. Mycoplasma lijkt overigens niet het beste organisme voor industriële toepassing, zodat het wachten is op laboratorium varianten van andere, meer geschikte organismen.

Achtergrond:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 februari 2008

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.