Toen Xue Zhou in 2000 naar Amsterdam kwam, was dat een hele omschakeling voor haar. Zhou werd in 1975 geboren in een klein stadje in China, sprak vrijwel geen Nederlands en moest behoorlijk wennen aan haar nieuwe leefomgeving. Ze begon haar onderzoek aan het laboratorium voor experimentele virologie van het Amsterdams Medisch Centrum aan de Universiteit van Amsterdam. Zhou: “Alles was nieuw voor mij, dus in het eerste jaar ging het niet zo hard. Ik zou een methode moeten ontwikkelen waarmee je kunt zien hoe hoog de graad van besmetting met virussen is. Maar na anderhalf jaar besloot ik om iets anders te doen. Want inmiddels had ik gezien dat er binnen de vakgroep buitengewoon vernieuwend onderzoek wordt gedaan naar het virus dat aids veroorzaakt. Daar wilde ik me ook mee bezighouden.”
In het bijzonder werd Zhou door een vinding van de eigen vakgroep aangetrokken: een hiv-1-virus dat wordt ontwikkeld als een ‘levend-verzwakt’ virus vaccin. In dit virus is een van oorsprong bacteriële genschakelaar ingebouwd: het is een virus waarvan je de replicatie ‘aan’ en ‘uit’ kunt zetten. Zolang het virus is omgeven met een gangbaar antibioticum (doxycycline), reproduceert het zich normaal. Valt het antibioticum weg, dan zal het virus uitsterven. Deze aan-uitschakelaar is een veelbelovende doorbraak in het vinden van een vaccin tegen aids. Want anders dan bij polio, mazelen of pokken is het – ondanks twintig jaar wetenschappelijk onderzoek – nog steeds niet gelukt om vaccinatie met een verzwakt virus te realiseren. Het hiv-1-virus is enorm taai. Dierproeven hebben laten zien dat ook sterk verzwakte versies van het virus weer kunnen evolueren tot goed replicerende en ziekteverwekkende varianten. De ingebouwde genschakelaar maakt het mogelijk het virus na de vaccinatie ‘uit’ te zetten zodat deze evolutie wordt voorkomen.
Snelle mutaties
Zhou ging zich in haar onderzoek bezighouden met de genetische stabiliteit van het gemuteerde hiv-1-virus. Zhou: “Je wilt voorkomen dat een toegediend hiv-1-virus aan het begin van een behandeling nog afhankelijk is van de aanwezigheid van doxycycline, maar zich na een paar mutaties losrukt van die inperking, en toch nog aids veroorzaakt. En dat is heel goed denkbaar, omdat hiv-1 zeer snel en effectief muteert.”
Tijdens de virusreplicatie, zo legt Zhou uit, worden regelmatig fouten gemaakt. Daardoor kan de genetische code van het virus veranderen. Als zo’n toevallige mutatie de voortplanting van het virus verbetert, dan zal de nieuwe variant het oorspronkelijke virus overwoekeren.
Zhou begon met een systematische analyse van welke modificaties van het DNA door toevallige veranderingen het vaakst voorkomen. Zhou: “In het DNA zitten vier verschillende basen: guanine, cytosine, adenine en thymine, afgekort met respectievelijk G, C, A en T. Een mutatie van G naar A komt het vaakst voor, omdat die chemisch gezien het gemakkelijkst te realiseren is tijdens hiv-replicatie.”Om deze ongewenste evolutieroute te blokkeren, ontwikkelde Zhou een nieuwe variant van het aan-uitmechanisme. Ze plaatste daartoe op welgemikte posities in de DNA-sequentie een alternatief aminozuur, dat ervoor zorgt dat een virus alleen zijn gevoeligheid kan verliezen als het erin slaagt meerdere aaneenschakelingen van het eigen DNA gelijktijdig te veranderen. Zhou: “De kans op een combinatie van mutaties is veel kleiner dan een G naar A mutatie, waardoor je dus langer de aan-uitschakelaar van het virus onder controle hebt.”
Tijdens het langdurig bestuderen van gemuteerde virussen ontdekte Zhou iets buitengewoons: de natuurlijke evolutie van een voor doxycycline gevoelig gemaakt virus kan soms resulteren in een virus, dat zich veel beter gedraagt dan het oorspronkelijk door mensen bedachte en gemanipuleerde virus. Sommige van deze mutaties waren gelegen in de ingebouwde aan/uit schakelaar: ze bleken dit mechanisme zelfs te verbeteren. Zhou: “Dit betekent dat je de natuurlijke evolutie van het virus kunt gebruiken om veel betere virussen te genereren die toch de eigenschappen hebben die je wilt. Dat levert enorme mogelijkheden op, omdat je dan de kracht van de natuurlijke evolutie doelgericht gebruikt om betere resultaten te krijgen.”
Verbeterd virus
Uiteindelijk lukte het zo om vijf nieuwe mutaties te identificeren, die het virus sterk verbeteren. Zhou: “Door deze mutaties te combineren, zijn we erin geslaagd hiv-1-varianten te genereren die zich zeven keer zo goed voortplanten als soortgelijke virussen, en die voor hun overleven honderd keer meer afhankelijker zijn voor de aanwezigheid van doxycycline. Deze genschakelaar wordt veel gebruikt in ander biologisch en medisch onderzoek en in gen-therapie en biotechnologische toepassingen. Er is dan ook grote belangstelling voor onze vindingen en wij hebben deze beschermd met een patent.”
Terugkijkend op haar onderzoek is Zhou er het meest trots op dat ze een systeem heeft ontwikkeld waarmee je de verschillende kwaliteiten van een hiv-1-virus snel kunt onderzoeken. Zhou: “Deze meetmethode is nu binnen onze hele afdeling in gebruik. Het is zo’n algemeen toepasbare methode dat je die voor allerlei soorten onderzoek kunt gebruiken.”
Tevreden is Zhou ook over haar vondst, dat je dankzij deze meetmethode zo goed naar de eigenschappen van virussen kunt kijken dat je de natuurlijke evolutie van hiv kunt gebruiken om betere genschakelaars te maken. Op alle verbeterde virussen zijn inmiddels patenten aangevraagd. En dan is ze natuurlijk trots op haar publicaties, onder andere publiceerde het Journal of Biology for Chemistry twee maal haar resultaten, gevolgd door een verbeterde versie in een nog toonaangevender vaktijdschrift, Gene Therapy.
Zhou is inmiddels in vaste dienst bij het laboratorium voor experimentele virologie. Ze werkt nu aan onderzoek waarbij hiv-1-virussen niet alleen door doxycycline gecontroleerd ‘aan’ en ‘uit’ gezet kunnen worden, maar ook door andere hulpstoffen. Op deze manier wil zij het unieke hiv-1 virus gebruiken om volledig nieuwe genschakelaars te ontwikkelen. Ze gebruikt daarbij dagelijks de technieken die tijdens haar promotie zijn ontwikkeld. Zhou: “Dit is wat ik het meest waardeer aan promoveren: je begint als iemand die de ideeën van een promotor uitvoert, maar gaandeweg ga je steeds meer zelf nadenken. Je gaat zelfstandig proeven bedenken en testen, en uiteindelijk kun je dan zelf beslissen in welke richting je gaat.”
Dit artikel werd eerder gepubliceerd in de STW brochure Technologisch Toptalent 2008.