Synthetische gist, de stenen bijl van onze tijd

Op dezelfde manier kan knutselen met het genoom van biergist ons leren hoe de biologie precies werkt, en hoe we haar kunnen manipuleren.

'Artificieel ontworpen gist breekt nieuw record met 50 procent synthetisch DNA', stond recent in Nature. Een uitzonderlijke prestatie en een die past in een historische trend. Doorheen de geschiedenis zijn we er als mens almaar beter in geslaagd nuttige tools te ontwikkelen met materialen die we in onze omgeving konden vinden: van de eerste stenen bijl tot moderne spitstechnologie, vervaardigd uit silicium. Nu zijn we getuige van de volgende stap. Het lukt ons de biologie te manipuleren op het niveau van de onderliggende code, het DNA.

Dankzij de forse toename van de rekenkracht zijn we erin geslaagd de 20.000 genen van het menselijk genoom almaar sneller en goedkoper uit te lezen. Maar uitlezen is één ding. Om echt te begrijpen hoe de biologie werkt en haar te kunnen manipuleren, moet je van elk stuk code weten welke functie het vervult. Een uitstekende manier om dat te doen, is door het geheel synthetisch na te bouwen.

Saccharomyces cerevisiae, beter bekend als biergist, is een ideaal vertrekpunt voor dat biologisch geknutsel. Gist is het best onderzochte organisme ter wereld en is interessant als model. Het heeft minder genen dan de mens, maar fundamentele processen zijn dezelfde. En omdat gistcellen zo snel delen, staat er een turbo op de natuurlijke selectie.

De labo’s van het consortium Sc2.0 werken al 15 jaar aan een volledig synthetische stam voor de 16 chromosomen van gist. Maar ze proberen het beter te doen dan moeder natuur en elimineren potentiële bronnen van instabiliteit. Als je op een betrouwbare manier met DNA wil bouwen, heb je stabiele en voorspelbare modules nodig, net als legoblokjes. Het einddoel is een volledig synthetisch gistgenoom dat je zo kan manipuleren dat je er medicijnen voor mensen mee kan maken.

We moeten daarvoor een sprong maken: van het sleutelen aan enkele genen zoals bij celtherapie naar het toevoegen van hele chromosomen en het herontwerpen van volledige genomen. Het stelt wetenschappers in staat vragen te stellen die voorheen onmogelijk waren, zoals: wat gebeurt er als je chromosomen introduceert die er eerder niet waren?

Om een 100 procent synthetisch genoom te bereiken is nog veel knutselwerk nodig. Terwijl almaar meer variabelen aangepast worden, moet het geheel van chromosomen blijven functioneren. Gelukkig knutselen we - dankzij de toename van de rekenkracht en geholpen door precisie-instrumenten - tegenwoordig op steroïden. In de toekomst zal chiptechnologie ook essentieel zijn om mini-interfaces te bouwen, zodat ook menselijke cellen geoptimaliseerd kunnen worden, bijvoorbeeld om insuline aan te maken bij diabetespatiënten.

Hou de biergistknutselaars in de gaten. Ze zullen ons op termijn helpen ziektes te begrijpen en te bestrijden, maar ook om goedkoper en op een minder vervuilende manier grondstoffen, energie en voedsel te produceren.

Peter Peumans, technologisch directeur Health bij Imec