Gisten behoren, net als de mens, tot de klasse van ‘eukaryoten’ (organismen met cellen met een kern). Al zijn gisten eencellige organismen, ze hebben wel een vergelijkbare celstructuur als mensen. Gisten vormen daarmee een goed modelsysteem voor het bestuderen van allerhande cellulaire processen, waaronder DNA-replicatie, celdeling en eiwitafbraak. Opheldering van de volledige DNA-volgorde van mensen (ongeveer 25.000 genen) en gisten (6.000 genen) liet al zien dat bijna de helft van de gistgenen in vergelijkbare vorm bij de mens voorkomt. Ongeveer een kwart van de genen die gerelateerd zijn aan menselijke ziekten komt ook voor in gist. Bovendien zijn gisten makkelijk te kweken in een laboratorium en zijn ze eenvoudig genetisch te manipuleren en te analyseren. Ze vormen daarmee een goed modelorganisme. Vooral de hoge groeisnelheid – gisten delen elke 2 tot 3 uur – maakt het mogelijk om bijvoorbeeld verouderingsprocessen te bestuderen over vele generaties.
De mogelijkheid om in gist eenvoudig enkele of meerdere genen te verwijderen of manipuleren met behulp van synthetisch biologische technieken, heeft veel bijgedragen aan het begrijpen van cellulaire processen. Zo is er een collectie beschikbaar van ongeveer 5000 bakkersgiststammen, waarin alle niet-essentiële genen zijn verwijderd. Door de kenmerken van deze zogenoemde deletiestammen te analyseren, kan de functie van het verwijderde gen worden opgehelderd. Zo zal een stam waarin een gen voor DNA-reparatie is verwijderd gevoelig zijn voor bestraling met UV-licht. DNA-reparatie speelt een belangrijke rol in de voorkoming van kanker. Met behulp van deze deletiestammen kan dus ook belangrijke kennis worden verworven over de cellulaire processen die tot kanker kunnen leiden.
Niet alleen de functie van individuele genen kan op deze manier worden bestudeerd. Met behulp van zogenoemde synthetic genetic arrays kan de interactie tussen een bepaald gen en alle andere gistgenen worden bestudeerd.
Omdat gisten makkelijk te kweken zijn, kunnen er grote aantallen experimenten tegelijk worden uitgevoerd. Dergelijke high-throughput screening wordt routinematig gebruikt om het effect van (mogelijke) medicijnen en andere kleine moleculen op bepaalde cellulaire processen te bestuderen, bijvoorbeeld in stammen waarin een bepaalde functie is uitgeschakeld of veranderd. Op deze manier hopen wetenschappers nieuwe medicijnen te identificeren. Er zit ook een nadeel aan deze methode. Van nature werkt gist veel medicijnen actief de cel uit, waardoor ze weinig effect hebben op de gistcel. Om dit te omzeilen zijn giststammen gemaakt waarin de twee belangrijkste eiwitten verantwoordelijk voor export van medicijnen (Pdr5 en Snq2) zijn uitgeschakeld. Daarnaast zijn stammen geconstrueerd zonder het gen ERG6, waardoor hun membraan beter doorlaatbaar is geworden voor medicijnen. Deze synthetische giststammen blijken beter geschikt voor high-throughput screening.
Gist bevat niet altijd de genen die in mensen tot een bepaalde ziekte leiden. Toch kan je ook deze ziekten in gist bestuderen. Je kunt de ziekte bijvoorbeeld ‘nabootsen’ door een of meerdere menselijk eiwitten in gist tot expressie te brengen. Als zo’n eiwit in gist tot zeg, een bepaald groeidefect leidt, kan vervolgens een groot aantal chemische stoffen worden getest om te zien of zij dit groeidefect misschien opheffen. Dat zou ze tot een potentieel medicijn maken voor de betreffende ziekten. Op deze manier zijn onder andere al modelsystemen gemaakt voor de ziekten van Huntington, Parkinson en Alzheimer. Synthetische biologie draagt op deze manier bij aan het begrijpen van deze ziekten en het ontwikkelen van nieuwe medicijnen.
Menselijke eiwitten uit gist en bacteriën
Insuline is een eiwithormoon dat door cellen in de alvleesklier wordt geproduceerd. Insuline speelt een belangrijke rol in het reguleren van suikerstofwisseling in het menselijk lichaam. Bij patiënten met type 1 diabetes wordt te weinig insuline aangemaakt, waardoor de suikerconcentratie in het bloed te hoog wordt. Toediening van insuline kan de bloedsuikerspiegel herstellen en zo de gevolgen van type 1 diabetes compenseren.
De effectiviteit van insuline werd ontdekt in de jaren twintig door de stof te extraheren uit de alvleesklier van honden en vervolgens toe te dienen aan diabetespatiënten. Later werden hiervoor ook alvleesklieren van paarden en varkens gebruikt. Dit insuline was echter niet erg zuiver en zorgde ook voor allergische reacties. Bovendien was het lastig om grote hoeveelheden insuline te verkrijgen. Ondanks alle praktische en ook ethische bezwaren duurde het nog lang voor de stof geproduceerd kon worden zonder gebruik te maken van dieren. Pas in 1978 slaagden wetenschappers bij het Amerikaanse bedrijf Genentech erin om het menselijk gen voor insulineproductie in de E. coli bacterie tot expressie te brengen en op deze manier insuline te produceren via een fermentatieproces in een bioreactor. Deze technologische doorbraak markeerde het begin van de ‘moderne biotechnologie’. Insuline kon vanaf dat moment op grote schaal en in hoge zuiverheid worden geproduceerd.
De eerste ‘biotech insuline’ kwam in 1982 op de markt. Sindsdien wordt alle insuline geproduceerd met behulp van genetisch gemodificeerde Escherichia coli of met hulp van de gist Saccharomyces cerevisiae.
Eiwitten bestaan uit een keten van aminozuren. Daar worden op specifieke plekken eventueel suikergroepen aan vastgemaakt. Dat zogenoemde glycosyleringspatroon van eiwitten is nog een grote uitdaging in het produceren van medicinale eiwitten met behulp van microbiële productieprocessen. Micro-organismen, zoals bakkersgist, verschillen van menselijke cellen in het type suikers dat wordt toegevoegd en de structuur van de uiteindelijke suikergroepen op het eiwit. Eiwitten met een afwijkend glycosyleringspatroon kunnen in het menselijk lichaam minder effectief of stabiel zijn. Veel medicinale eiwitten worden tegenwoordig dan ook geproduceerd met behulp van menselijke of dierlijke cellijnen, bijvoorbeeld uit de eierstokken van Chinese hamsters. Zulke cellijnen groeien echter langzaam en zijn lastig om mee te werken.
Recent biotechnologisch onderzoek richt zich op het ‘herprogrammeren’ van micro-organismen, zodat ze eiwitten glycosyleren op een manier die meer lijkt op menselijke cellen. Zo is in de gist Pichia pastoris, die veel wordt gebruikt voor de productie van menselijke eiwitten, geanalyseerd welk genen verantwoordelijk zijn voor het toevoegen van teveel of verkeerde suikergroepen. Vervolgens zijn deze genen uitgeschakeld en zijn genen vanuit een schimmel en een andere gist geïntroduceerd, die zorgen voor het juiste glycosyleringspatroon. Op deze manier draagt synthetische biologie bij aan eenvoudigere productie van medicinale eiwitten met goede effectiviteit en stabiliteit.
Toekomst
De bijdrage van de synthetische biologie aan de medische wetenschap zal de komende jaren naar verwachting snel groeien. Zo wordt er gewerkt aan nieuwe, lokale behandelingen van bacteriële infecties. Veel medicijnen worden oraal toegediend, waardoor het hele lichaam wordt blootgesteld aan het medicijn, ook de plekken waar het medicijn helemaal niet actief hoeft te zijn. Met behulp van synthetische biologie wordt gekeken of er ook lokale bestrijding van Pseudomonas aeruginosa infecties mogelijk is. Hiervoor is in 2013 een Escherichia coli bacterie geprogrammeerd om, met behulp van een specifieke sensor, moleculen te herkennen die de Pseudomonas bacteriën uitscheiden. Daarnaast is die E. coli geprogrammeerd om, zodra zulke pseudomonasmoleculen worden gedetecteerd, in de richting van de Pseudomonas bacteriën te zwemmen. Vervolgens maakt de geprogrammeerde E. coli een gifstof die de Pseudomonas doodt. Dit concept is al zeer effectief gebleken in modelsystemen. De veiligheid en de werkzaamheid in mensen moet nu worden onderzocht.
Repareren van kapotte genen
Een andere potentiële ontwikkeling binnen de synthetische biologie is het aanpassen van DNA in menselijke cellen. Ziekten als cystische fibrose of sikkelcelanemie worden veroorzaakt door een enkele mutatie in het DNA van de patiënten. Wellicht kunnen deze mutaties in de toekomst worden gerepareerd? Daarnaast kunnen ernstige infecties met virussen als HIV in de toekomst misschien worden voorkomen door in te grijpen in het DNA van de mens. Het gen CCR5 bijvoorbeeld, heeft in de mens – voor zover bekend – geen essentiële functie. Het wordt wel gebruikt door HIV om menselijke afweercellen (T-helpercellen) te infecteren en deze vervolgens te vernietigen. Daarom is een persoon die geïnfecteerd is met HIV op een gegeven moment niet meer in staat om virussen en bacteriën onschadelijk te maken. Mensen met een specifieke mutatie in het CCR5-gen zijn resistent gebleken tegen de meeste HIV-varianten. Dat gegeven bracht synthetisch biologen op het idee om T-helpercellen uit het lichaam te halen, de bewuste CCR5-mutatie te introduceren met behulp van ‘DNA-chirurgie’, en de cellen uiteindelijk weer terug in het lichaam te brengen. De eerste resultaten van deze experimentele behandeling zijn veelbelovend.