Synthetische biologie

Longread

Synthetische biologie

Leestijd: 12 minuten

Bacteriën die medicijnen produceren, in het lab gebouwde cellen, kunstmatige vaccins en een elektrische neus. Wetenschappers kunnen het allemaal maken dankzij de synthetische biologie. Dankzij deze tak van de wetenschap – een combinatie van onder andere biologie, natuurkunde, scheikunde en informatica – kunnen we dingen maken waar men lange tijd alleen maar van droomde. Het lijkt soms bijna sciencefiction. Aan Wageningen University & Research gebruiken we synthetische biologie om meer en betere voeding te produceren, de gezondheid te verbeteren en een duurzamer milieu te creëren.

Wat is synthetische biologie?

Synthetische biologie is ontwerpen in de natuur. ‘Het is geen tak van de biologie, zoals ecologie of medische biologie. Het is veel meer een manier van werken,’ legt Vitor Martins dos Santos uit. Hij is hoofd van de afdeling Synthetische biologie aan de WUR. ‘Synthetische biologie is te vergelijken met industrieel ontwerpen. Zoals ingenieurs een nieuwe auto ontwikkelen door allerlei losse bouwstenen (motor, chassis, velgen, uiterlijk) te verbeteren en te combineren tot weer betere auto’s, zo combineren we bij synthetische biologie de kennis van eiwitten, DNA, micro-organismen en cellen tot nieuwe toepassingen.’ Synthetische biologie lijkt op het eerste gezicht sterk op biotechnologie. ‘Het verschil is dat bij biotechnologie wordt geprobeerd om bestaande levensvormen te verbeteren. Bij synthetische biologie gaan we een stap verder: we zoeken niet naar nieuwe mogelijkheden van bestaande organismen, maar ontwerpen nieuwe, kunstmatige levensvormen.’

- Helaas, uw cookie-instellingen zijn zodanig dat de Video niet getoond kan worden - pas uw permissie voor cookies aan

Combinatie van vakgebieden

Dankzij de ontwikkeling van steeds betere computers en computermodellen heeft de synthetische biologie de laatste jaren al grote vooruitgang geboekt. In de loop van de jaren is er steeds meer bekend geworden over de bouw en werking van organismen en moleculen die in organismen voorkomen. Zo zijn er databases beschikbaar met daarin gegevens van heel veel bacteriën: welke stoffen ze nodig hebben om te leven, welke stoffen ze omzetten en hoe ze zijn opgebouwd. Zulke databases zijn er ook voor eiwitten en genen. En omdat wetenschappers tegenwoordig genen kunnen isoleren uit een organisme en die terugplaatsen in een ander organisme, is het zo mogelijk om bacteriën een extra gen te geven, zodat ze extra stoffen gaan maken.  Zo kunnen wetenschappers met al die kennis uit databases van alles combineren en nabootsen.

Bij de synthetische biologie werken onderzoekers uit allerlei vakgebieden samen.
Bij de synthetische biologie werken onderzoekers uit allerlei vakgebieden samen.

Modelgedreven

De manier van werken is bij synthetische biologie dus echt anders. ‘Wat we doen is eigenlijk modeldriven design,’ legt Martins dos Santos uit. ‘Dat is in de biologie echt nieuw. Meestal hebben we een probleem en zoeken we daar een oplossing voor, heel specifiek gericht op dat ene probleem.’ Tot nu toe werd in de biologie ook veel door toeval ontdekt. Iemand onderzoekt de werking van schimmels en ontdekt dat die een stof maken dat bacteriën doodt. Dat leidde uiteindelijk tot de ontdekking van penicilline als antibioticum. ‘Bij synthetische biologie is er veel minder sprake van toeval. We zoeken heel gericht naar modellen die voor allerlei verschillende aspecten van de biologie werken. We proberen de methoden dan ook te standaardiseren.’

Samen met stakeholders

Synthetische biologie kan effect hebben op de samenleving: het biedt kansen voor verbetering van de gezondheid, oplossingen voor het wereldvoedselprobleem en duurzaamheidsontwikkeling. De mogelijkheden van synthetische biologie zijn eindeloos. Maar het kost wel tijd en geld. Er moeten prioriteiten gesteld worden. Onderzoekers van Wageningen University & Research spreken daarom regelmatig met mensen die met de nieuwe producten zouden kunnen gaan werken. Waar is vanuit de maatschappij behoefte aan? Waar moeten de prioriteiten liggen?

Bovendien roept synthetische biologie, net als andere vlakken van biotechnologie, vragen op. Er wordt bij synthetische biologie bijvoorbeeld gebruik gemaakt van genetische gemodificeerde organismen en kunstmatig nagemaakte levensvormen. Dat geeft ethische en maatschappelijke vragen. Ook dat bespreken we met stakeholders.  De vraag is steeds: willen we dit wel? Hoe ver kun je gaan met het aanpassen van organismen? Is het verantwoord om kunstmatige organen te ontwikkelen? Ook op gebied van veiligheid kun je vragen stellen: als je een populatie organismen veranderd (bijvoorbeeld malariamuggen die geen malaria meer kunnen overdragen), wat is het effect op de lange termijn op het ecosysteem? En wat als de kennis die we opdoen in verkeerde handen valt? Als je kunstmatige virussen kunt maken om ze in te zetten als vaccin, kun je met diezelfde kennis mogelijk ook ziekteverwekkende virussen maken. Wat als die kennis in verkeerde handen valt? Wie controleert dat? Daarnaast spelen er ook economische vragen: wie is eigenaar van de nieuw ontwikkelde levensvormen en stoffen? Wie mag eraan verdienen?

Organismen aanpassen

Synthetische biologie kan op allerlei niveaus plaatsvinden. Bacteriën spelen daarin vaak een rol, omdat we er veel van weten, ze gemakkelijk genetisch te modificeren zijn en snel kunnen voortplanten. Elke bacterie heeft zijn eigen eigenschappen, die inmiddels in databases goed in kaart zijn gebracht. De ene bacterie is bijvoorbeeld goed in het produceren van stikstof, terwijl de andere bacterie de hormonale huishouding van een plant beïnvloedt en weer een andere goed is in het afbreken van stoffen uit ons voedsel en het produceren van vitamine K in de darmen. Die diversiteit en uitgebreide kennis biedt allerlei mogelijkheden: voor onze voedselproductie, onze gezondheid en voor de omgeving.

Plantengroei stimuleren

Zo werkt Theo van der Lee samen met collega’s aan een manier om de ideale microbiële gemeenschap te ontwikkelen voor planten. ‘De groei van planten kan sterk worden beïnvloed door bacteriën in schimmels in de bodem. Ze produceren bijvoorbeeld stoffen als stikstof en fosfor uit de bodem, voorkomen bepaalde plantenziektes, beïnvloeden de hormoonhuishouding van de plant of bevorderen de groei van de plant. ‘Elke omgeving en elke plant heeft eigenlijk weer een andere samenstelling van micro-organismen in de bodem nodig. De uitdaging is om de perfecte samenstelling te vinden in een bepaalde omgeving.’ Ook daar kan synthetische biologie een grote rol bij spelen. ‘We hebben in eerder onderzoek al in kaart gebracht welke componenten zo’n microbiële gemeenschap moet bevatten. Met behulp van analyse van het genoom kunnen we eigenschappen van micro-organismen achterhalen. We streven nu naar een manier om modelgestuurd te werken, zodat je redelijk eenvoudig voor elke omgeving en elke plant de ideale microbiële gemeenschap kunt ontwerpen.’

akker.jpg

Bacteriën produceren medicijnen

Een andere mogelijkheid is om bacteriën in te zetten voor de productie van medicijnen. Het idee is simpel: zoek of bouw een gen dat codeert voor de stof die je nodig hebt; bouw dit gen in een bacterie in en laat de bacterie vermenigvuldigen. Zo krijg je heel veel bacteriën, die allemaal de stof die je nodig hebt kunnen produceren. Dit klinkt misschien bekend van genetische modificatie. Toch is het echt anders, legt Martins dos Santos uit. ‘Bij genetische modificatie is het nog veel proberen; hopen dat je het juiste gen eruit knipt en dat het op de juiste manier wordt ingebouwd en inderdaad doet wat je wilt dat het doet. Dat is heel anders dan werken vanuit de benadering als ingenieur: we ontwerpen het DNA eerst op de computer, voordat we er op het lab mee aan het werk gaan. Dankzij alle kennis die er al is over eiwitten en genen, is dat inmiddels mogelijk.’

Bacteriën bij diagnose tropische ziektes

Met alle kennis die er is over bacteriën, over genen die processen in bacteriën bevorderen en over chemische reacties, is een team studenten – het iGEMteam 2017 – bezig met een heel nieuwe uitdaging: diagnostische tests maken voor (tropische) ziektes met behulp van bacteriën. De bacteriën worden uitgerust met een soort antistoffen, die affibodies genoemd worden. Deze moleculen zijn klein, reageren heel specifiek op één soort ziekte en zijn makkelijk aan te passen. In theorie is er voor elke infectieziekte een affibody te ontwikkelen. De bacteriën worden ook uitgerust met een signaleringssysteem. Als een affibody bindt aan een ziekteverwekker, reageert dit signaleringssysteem en zendt een soort lichtsignaal uit, dat met behulp van uv-licht te meten is. De bacteriën zitten in een apparaatja, de ‘Mantis’. Zo wordt de diagnose van een ziekteverwekker eenvoudig: voeg een druppel bloed of urine bij deze bacterie. Het apparaatje meet het UV-licht en laat op een scherm de uitslag zien.

De Mantis kan eenvoudig tropische ziekte diagnostiseren met behulp van bacteriën.
De Mantis kan eenvoudig tropische ziekte diagnostiseren met behulp van bacteriën.

De Mantis heeft een aantal voordelen ten op zichte van de huidige diagnostische tests voor tropische ziekten: het is goedkoper, specifieker en preciezer dan de huidige diagnostische tests. Bovendien is de Matis relatief eenvoudig aan te passen op nieuwe ziekteverwekkers, zodat er, als er een nieuwe ziekte de kop op steekt, snel een goede diagnostische test ontwikkeld kan worden.

Bacteriën signaleren vervuiling

Op dezelfde manier kunnen bacteriën ook andere stoffen herkennen. Zo kunnen bacteriën ook ingezet worden voor het signaleren van gassen. ‘Je kunt dat vergelijken met een neus,’ legt Martins dos Santos uit. ‘In een neus zitten een heleboel reukzintuigen bij elkaar die elk reageren op een bepaald soort stof. Zo kun je ook bacteriën ontwikkelen die reageren op een bepaalde geur en dan bijvoorbeeld een geurstof gaan maken.’ Zo zijn er bijvoorbeeld al bacteriën die de explosieve stof TNT kunnen waarnemen en rood worden als die stof in de buurt is. Zo is op afstand te zien waar TNT is, zonder dat er een persoon in de buurt hoeft te komen. Ook in dit project zoeken de wetenschappers naar een model die eenvoudig aan te passen is voor elke stof.

Met de kennis die we hebben van het reukzintuig kunnen we een kunstmatige ‘neus’ maken en daarbij zelf bepalen welke stoffen deze ‘neus’ moet detecteren.
Met de kennis die we hebben van het reukzintuig kunnen we een kunstmatige ‘neus’ maken en daarbij zelf bepalen welke stoffen deze ‘neus’ moet detecteren.

Nieuwe levensvormen maken

Synthetische biologie gaat niet alleen over het aanpassen van levensvormen, maar ook over het ontwikkelen van nieuwe levensvormen; in het lab virussen, cellen en organen bouwen die je naar wens kunt aanpassen en de eigenschappen meegeven die je zelf wil. Ook daar werken we dagelijks aan.

Kunstmatige virussen als vaccin

Virussen worden al heel lang ingezet bij het verbeteren van de gezondheid, namelijk voor vaccins. Een ziekteverwekker, bijvoorbeeld het pokkenvirus, wordt zo aangepast dat hij niet meer schadelijk is voor de gezondheid, maar nog wel herkend wordt door het afweersysteem. Zo bouwen we immuniteit op en worden we bij besmetting met het echte virus niet ziek.

- Helaas, uw cookie-instellingen zijn zodanig dat de Video niet getoond kan worden - pas uw permissie voor cookies aan

Tegenwoordig gaan we nog een stapje verder, legt onderzoeker Jeroen Kortekaas uit. ‘Met onze kennis over de opbouw van virusdeeltjes en de ingenieuze manier waarop virussen cellen infecteren zijn wij in staat virus-achtige deeltjes te ontwikkelen die precies de eigenschappen hebben die wij willen.’ Met virussen is dat relatief eenvoudig, omdat ze feitelijk alleen maar bestaan uit een stukje erfelijk materiaal in een eiwitbolletje. ‘We bouwen het genetisch materiaal zelf, zodat daar precies de gewenste eigenschappen inzitten en bepalen welk eiwit er omheen komt.’ Dat geeft allerlei mogelijkheden, niet alleen voor het maken van vaccins, maar ook voor onderzoek. ‘We kunnen een virus bijvoorbeeld laten oplichten als het in een cel terecht komt. Zo kun je het afweersysteem onderzoeken: hoe goed is de afweer in het bestrijden van het virus? Hoe goed kan het lichaam voorkomen dat het virus in een cel terecht komt?’

Een kunstmatige cel

‘Een ultieme uitdaging is het bouwen van een hele cel. Geen eenvoudig virus, maar een cel zoals ook in mensen en dieren zit,’ denkt Martins dos Santos. In het najaar van 2017 is er een groot project gestart in Nederland, waar ook de Wageningen University & Research aan meedoet. Het doel is om ‘from scratch’ een cel te bouwen, die volledig functioneert als cel. Bij het project BaSyC (Building a Synthetic Cell) werken meerdere instituten uit Nederland samen: Wageningen University & Research is betrokken, maar ook de Technische Universiteit Delft, De Rijkuniversiteit Groningen, de Vrije Universiteit van Amsterdam, de Radboud Universiteit Nijmegen en AMOLF.

Het eerste doel van dit project is het vergroten van kennis. Er is al wel veel bekend over de taak van onderdelen van de cel, maar we begrijpen nog niet hoe ze samenwerken en samen leven mogelijk maken. Om zelf een cel te bouwen is dat begrip wel nodig. Het ontwikkelproces is typisch voor synthetische biologie: de onderzoekers maken gebruik van kennis die er is van allerlei verschillende cellen van verschillende organismen, en gebruiken die samen om een nieuwe cel te bouwen. Geen kopie van een bestaand organisme dus, maar een unieke cel, waarin eigenschappen van verschillende levensvormen gecombineerd zijn tot een nieuwe levensvorm.

Als het eenmaal lukt om zo’n cel te bouwen, kan dat veel mogelijkheden opleveren: we kunnen dan mogelijk nieuwe, slimme en milieuvriendelijke materialen in de hightechindustrie bouwen, nieuwe duurzame brandstoffen produceren en biologisch afbreekbaar plastic. Ook voor het ontwerpen van duurzaam, veilig en gezond voedsel komen dan nieuwe mogelijkheden.

Darm op een chip

Synthetische biologie kan ook nuttig zijn voor onderzoek naar het functioneren van organen. Zo maken Hans Bouwmeester en Maarten Jongsma en elk op hun eigen manier een darm na op een chip. De darmen zijn relatief ingewikkeld, omdat er niet alleen darmcellen, bloed en afweerstoffen een rol spelen. Ook de bacteriën die in de darm leven hebben grote invloed op het functioneren van de darm. Met alleen darmcellen is het daarom moeilijk te onderzoeken hoe de darmen op bepaalde stoffen reageren. Je hebt voor zo’n onderzoek een volledige darm nodig.  

Daarom werken Bouwmeester en zijn team samen met onderzoekers uit Twente aan een darm op een chip: een synthetisch model van de darmen – compleet met bloedcellen, afweerstoffen, darmcellen én darmflora – op een plastic plaatje. Ze bootsen alle bouwstenen van de echte darm na, waar ze vloeistoffen doorheen kunnen laten lopen. Zo kunnen ze kijken naar de wisselwerking in de darm tussen stoffen uit voeding, micro-organismen, darmcellen en de effecten op het afweersysteem. Effecten van stoffen, positief of negatief, kunnen zo nauwkeurig in kaart worden gebracht. Jongsma specialiseert zich in de ‘live’ detectie van de responsen van die cellen op verschillende behandelingen. Immuunreacties en verzadigingshormonen worden onmiddellijk zichtbaar.

De darm op een chip bestaat uit enkele plaatjes met daartussen afweercellen, bloedvatcellen, darmcellen en bacteriën.
De darm op een chip bestaat uit enkele plaatjes met daartussen afweercellen, bloedvatcellen, darmcellen en bacteriën.

Games voor synthetische biologie

Wil je zelf eens synthetische biologie ervaren? Dat kan! Het bedrijf Biofaction heeft een paar games gemaakt, gebaseerd op echte onderzoeksprojecten, waarmee je als synthetisch bioloog aan de slag kunt gaat:

SynMod

In deze game ga je aan de slag met het ontwikkelen van nieuwe antibiotica om ziekteverwekkers uit te schakelen.

Berrymaker Game

In deze game ben je eigenaar van een start-up die gezonde frisdrank maakt met behulp van synthetische biologie. Maak de beste sap die het beste verkoopt en houd daarbij rekening met prijzen en vraag vanuit de markt en maak zo jouw bedrijf succesvol.