Je leest:

Van de bodem af een cel opbouwen

Van de bodem af een cel opbouwen

Auteur: | 11 december 2014

Het knippen en plakken van een volledig synthetisch genoom van een bacterie is één ding. Voor het compleet, van de bodem af opbouwen van een synthetische cel is nog wat meer nodig.

In een donkere kamer in haar Delftse laboratorium laat professor Nynke Dekker een van haar technische paradepaardjes zien: een microscoop. Nou ja, het is in ieder geval een lens die op een soort objectglaasje kijkt, maar daarmee houdt iedere vergelijking met een gewone microscoop eigenlijk wel op. ‘Dit instrument hebben we hier zelf gebouwd’, vertelt Dekker. ‘Het hart is dit magneetje dat we vlak boven het objectglaasje kunnen laten bewegen. Daarmee manipuleren we de vloeistof op het objectglaasje.’

Professor Nynke Dekker: ‘De echte uitdaging schuilt in het doorgronden van netwerken.’
Biowetenschappen en maatschappij

Op het computerscherm naast de microscoop is te zien wat er onder de magneet ligt: een serie minuscule bolletjes, elk slechts één micrometer groot. ‘De bolletjes bewegen onder invloed van de magneet daarboven. Door die bewegingen te analyseren leren we van alles over de moleculen die we weer ónder die bolletjes hebben geplakt’, vertelt Dekker.

De fysica van een enkel molecuul

Het vakgebied van Dekker heet in het internationale jargon single molecule biophysics. Met haar collega’s bestudeert zij dus de natuurkundige eigenschappen van individuele moleculen. ‘Dat vakgebied is de jaren negentig ontstaan’, vertelt Dekker. ‘Om het bij het voorbeeld van de bolletjes onder de microscoop te houden: die hebben we op een enkel molecuul geplakt dat aan de andere kant weer aan een oppervlak vastzit. Als je met die magneet aan dat bolletje trekt kun je meten hoe hard het bolletje terugtrekt, en dus hoeveel spanning er in het molecuul onder dat bolletje zit. Op dezelfde manier kun je de magneet ook draaien en zo de torsiekracht van het betreffende molecuul bepalen.’

In veel gevallen bestuderen Dekker en haar collega’s het ‘enkele molecuul’ desoxyribonucleïnezuur, beter bekend als DNA. ‘We plakken de bolletjes op een stukje enkelstrengs DNA en meten de krachten. Vervolgens laten we bijvoorbeeld een eiwit over de DNA-streng lopen waardoor die wordt gekopieerd. Tijdens dat proces kunnen we, real time, meten welke krachten het eiwit op het DNA moet kunnen uitoefenen om te kunnen kopiëren. Hierbij moet je denken aan krachten in piconewtons, oftewel 10–12 newton.’

Een ‘artist’s impression’ van een DNA-molecuul dat wordt gemanipuleerd onder de microscoop van Dekker.
Biowetenschappen en maatschappij

Meten en begrijpen van moleculen

Dekker is van huis uit natuurkundige en staat daar mee op enige afstand van de eigenlijke synthetische biologie. ‘Het spannende is wel dat we met ons onderzoek wat meer kwantitatieve analyse in de biologie kunnen brengen. Vanuit de natuurkunde zijn we gewend bijvoorbeeld in absolute krachten te denken, maar die kwantitatieve benadering is in de biologie nog relatief jong. Toch is dat wel essentieel om bijvoorbeeld een levende cel écht te begrijpen.’

Dekker verduidelijkt die potentiële kwantitatieve analyse in de biologie aan de hand van metingen aan celdeling. ‘Tijdens een celdeling is het zaak dat de nieuwe cellen ieder een exact gelijk aantal chromosomen erven. Hiervoor moeten ook precies de juiste krachten op de gedupliceerde chromosomen worden uitgeoefend. Wil je een cel fundamenteel begrijpen, dan zul je ook die krachten moeten kennen. Het kunnen ook de krachten zijn die worden uitgeoefend op eiwitten, DNA of RNA tijdens het proces van overschrijven, vertalen of kopiëren van de genetische informatie, of op de moleculen uit de membraan op het moment dat er stoffen in of uit de cel worden gewerkt. In principe kunnen wij als enkel-molecuul-fysici die kennis leveren.’

De echte uitdaging voor Dekker schuilt vandaag de dag niet meer in het meten van de activiteit van enkele eiwitten op DNA. ‘Dat kunnen we wel. De uitdagingen liggen meer in het kunnen meten van de activiteit van eiwitcomplexen waarin veel eiwitten met elkaar samen werken.’ Ook zijn er grote uitdagingen in de cellulaire biofysica en de systeembiologie. Bijvoorbeeld in het doorgronden van de vele netwerken en netwerkjes die het leven in een cel mogelijk maken.

Echt bouwen van cellen

Met de kennis die vele duizenden wetenschappers in de afgelopen decennia hebben vergaard over de werking van de cel en haar moleculaire componenten ontstaat nu langzaamaan de mogelijkheid om met verschillende moleculaire bouwstenen nieuw biologisch materiaal te bouwen. De heilige graal van synthetisch biologen is het van de grond af opbouwen van een levende cel. ‘Daarvoor is het nodig dat je veel meer begrijpt dan alleen de DNA-volgorde uit het genoom’, benadrukt de hoogleraar. ‘Ik wil bijvoorbeeld niets afdoen aan de prestatie van de groep van Craig Venter, die in 2008 een compleet kunstmatig genoom in een cel plaatsten; een cel die vervolgens ook normaal functioneerde. Maar verschillende biologen plaatsten toen meteen al de kanttekening dat dit “slechts” het knippen en plakken van een kunstmatig genoom was. Om een complete cel van de bodem af op te bouwen heb je veel meer kennis en vaardigheden nodig. Het gaat om een veelvoud van biologische moleculen inclusief hun individuele dynamica en hun onderlinge wisselwerkingen.’

‘In die zin is synthetische biologie per definitie een multidisciplinair vakgebied’, benadrukt fysicus Dekker. ‘Behalve biologen en dus natuurkundigen heb je ook zeker informatici nodig die je helpen om de complexe relaties tussen de vele moleculen en chemische stoffen in de cel te doorgronden. In het opbouwen van dit soort netwerken in nieuwe contexten schuilt de echte uitdaging van de synthetische biologie voor de komende tijd.’

Origami met DNA-moleculen

Een andere tak van de synthetische biologie behelst het maken van nieuwe vormen van biologisch materiaal. Een bekend voorbeeld hiervan wordt DNA-origami genoemd. Zoals de vouwblaadjes van de Japanse kunstenaars blijkt ook het DNA-molecuul, waarin de erfelijke informatie ligt opgeslagen, een uiterst handige stof om mee te knutselen, vertelt Dekker. ‘Binnen onze afdeling zijn verschillende wetenschappers bezig met DNA-origami. Omdat de opbouw van DNA in wezen zo eenvoudig is – een G wil graag aan een C binden en een A graag aan een T – kun je allerlei fantasiecodes bedenken die bijna vanzelf tot nieuwe figuurtjes vouwen. Als je bijvoorbeeld met een lang stuk, cirkelvormig, enkelstrengs DNA begint en vervolgens een klein stukje enkelstrengs DNA toevoegt dat complementair is aan twee tegenoverliggende stukken van het cirkelvormige DNA, dan zal zo’n cirkel in principe eenvoudig tot een ‘achtvorm’ dubbelvouwen. Op die manier kun je eindeloos vouwen en ontwerpen en met DNA eigenlijk knutselen wat je wilt. Er zijn al onderzoekers die op deze manier doosjes hebben gebouwd met een soort sensor, waardoor je het doosje onder invloed van bijvoorbeeld licht open of dicht kunt laten klappen. Je kunt ook denken aan “DNA-origami-poortjes” die je in de membraan van een toekomstige synthetische cel kunt knutselen, waardoor je stoffen in de cel kunt stoppen of eruit kunt halen.

DNA-origami

Bij het knutselen met DNA is je eigen fantasie de enige beperking. De Amerikaanse onderzoeker Paul Rothemund laat dat op een elegante manier zien in een zogenoemde TED-talk. Via de verkorte URL http://bit.ly/Rothemund is te zien hoe hij zelf ‘smiley’s’ knutselde uit stukjes DNA. Collega’s van Rothemund slaagden er ook in om landkaartjes te tekenen met DNA of er mee te ‘schrijven’. Op dezelfde manier is het dus ook mogelijk om, zeg, een schakelaar te ontwerpen. Uiteindelijk, denkt Rothemund, moet het zelfs mogelijk zijn om via DNA-origami zelf-replicerende computers te bouwen. Uiteindelijk.

Biowetenschappen en maatschappij

Dat het, naast speelse, tweedimensionale ontwerpen als smiley’s of landkaartjes, nu al mogelijk is om ook functionele, driedimensionale objecten te knutselen uit DNA, bewezen de Deense onderzoeker Ebbe Sloth Andersen en collega’s van het Center for DNA Nanotechnology van de Universiteit van Aarhus. In 2009 publiceerden zij in Nature hun ontwerp van een doosje van 36 bij 36 bij 24 nanometer. Met een ‘DNA-sleuteltje’, ook zelf geknutseld, zou het doosje ook open en dicht kunnen worden gedaan. Bij dergelijke afmetingen kwam er uiteraard wel wat extra techniek aan te pas om te bewijzen dat het ontwerp ook echt functioneel was, maar met behulp van de best beschikbare elektronenmicroscopie konden Andersen en collega’s laten zien dat het dekseltje in aanwezigheid van de DNA-sleutel inderdaad open en dicht gaat. Een concrete toepassing? Die dient zich met de tijd vanzelf aan, aldus de onderzoekers in Nature.

Biowetenschappen en maatschappij

Boodschappenlijstje voor het bouwen van een cel

De eigen fantasie mag dan de grootste beperking zijn in DNA-origami, de praktijk van de synthetische biologie is toch wel wat complexer. Ongeveer tien jaar geleden heeft de Harvard-onderzoeker George Church een soort boodschappenlijstje samengesteld van zo’n honderd essentiële onderdelen die je nodig hebt om een functionerende cel te bouwen. Alleen al het samenstellen van dat boodschappenlijstje was een prestatie van formaat.

Het is vooralsnog een mysterie hoe de verschillende boodschappen op dat lijstje, dus de biochemische componenten van een cel, samenwerken om langdurige reactieprocessen te onderhouden en de cel te kunnen laten groeien en delen. Synthetisch biologen denken dat het mogelijk is diverse componenten te assembleren in steeds grotere en complexere ‘modules’. De drie hoofdgroepen van ingrediënten zullen uiteindelijk moeten samenwerken in één geïntegreerd systeem. Productie van stoffen zal tot in detail gecontroleerd moeten worden en voordat een synthetische cel teveel versleten is zal een interne ‘wekker’ moeten waarschuwen dat het tijd is om de cel te verversen via deling en nieuwe groei. Het is deze complexiteit die volgens de verschillende onderzoekers de achilleshiel vormt van de synthetische biologie. Wanneer het lukt een levende cel van de grond af op te bouwen dan zou dit enorm inzicht verschaffen in de principes die de basis vormen van het leven, en tevens biedt het ongekende mogelijkheden voor toepassingen in de gezondheid en biotechnologie. Er bestaan grofweg drie hoofdgroepen van essentiële ingrediënten:

Van voedingstof naar brandstof

Een functionerende synthetische cel zal op een gecontroleerde manier energie en bouwstoffen naar binnen moeten halen en die op een al even gecontroleerde manier moeten verwerken. Daarvoor staat allereerst een membraan op de boodschappenlijst. Dat moet een membraan zijn die de cel afschermt van de buitenwereld, maar tegelijk wel de juiste stoffen naar binnen kan halen of naar buiten kan transporteren via speciale transporteiwitten. Ook binnen de cel zullen kleine, door een membraan afgesloten ‘blaasjes’ moeten komen die stoffen in de cel transporteren en ervoor zorgen dat er een stabiel milieu blijft bestaan met bijvoorbeeld de juiste zuurgraad.

Informatieverwerking en deling

Een tweede categorie boodschappen heeft te maken met de verwerking van genetische informatie tot eiwitten. Een synthetische cel moet systemen of modules bevatten die informatie uit de synthetische genen kunnen lezen en vertalen naar RNA, aminozuren en uiteindelijk eiwitten.

Verse synthetische cellen

Een derde groep ingrediënten heeft te maken met de groei en de deling van de synthetische cel zélf. Daarvoor moeten ingrediënten worden gemaakt die allereerst de genetische informatie kunnen kopiëren en die vervolgens de cel weer laten groeien tot een functionerende eenheid.

Deze drie verschillende categorieën bevatten elk al gauw enkele tientalen eiwitten of enzymen. Toch denken synthetisch biologen dat dit nu al behapbaar moet zijn. De crux zit hem in de integratie van de drie ingrediënten.

Dit artikel is een publicatie van Stichting Biowetenschappen en Maatschappij.
© Stichting Biowetenschappen en Maatschappij, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 11 december 2014

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.