Delftse onderzoekers bouwen kunstmatig chromosoom

Biotechnologen van de TU Delft hebben een kunstmatig chromosoom gebouwd in gist. Het chromosoom kan naast de natuurlijke gistchromosomen bestaan, en dient als platform om veilig en eenvoudig nieuwe functies aan het micro-organisme toe te voegen. Onderzoekers kunnen het kunstchromosoom gebruiken om gistcellen om te bouwen tot levende fabriekjes die in staat zijn om nuttige chemicaliën en zelfs medicijnen te produceren.

Biotechnologen van over de hele wereld proberen gistcellen en andere micro-organismen zo om te bouwen dat ze nuttige stoffen produceren. Daarbij moeten ze aanpassingen doen in het bestaande erfelijke materiaal van de cel. Ze plakken bijvoorbeeld een aantal genen in het gistgenoom met behulp van CRISPR-Cas9, of schakelen bestaande genen uit, en vormen gistcellen op die manier stapje voor stapje om tot ‘celfabriekjes’ die nuttige stoffen produceren.

Het nadeel van deze methode is dat je niet oneindig veel wijzigingen in één keer kunt doorvoeren, maar dat daarvoor meerdere rondes nodig zijn. Dat kost tijd. Daarnaast kunnen de meerdere rondes van sleutelen aan het DNA met CRISPR-Cas9 leiden tot mutaties die (essentiële) functies verstoren. Het resultaat daarvan kan bijvoorbeeld zijn dat de stofwisseling van de cel van streek raakt en de gist dus minder goed kan groeien.

Lego
Het voordeel van een kunstmatig chromosoom, zoals de Delftse onderzoekers nu hebben gebouwd, is dat je er genen aan toe kunt voegen zonder dat je daarbij ingrijpt in de bestaande functies van de cel. “Wij zien ons synthetische chromosoom als een platform”, zegt PhD-onderzoeker Eline Postma. “Het is een nieuwe manier om veilig en op een modulaire manier functies aan bakkersgist toe te voegen – een beetje alsof je Legoblokjes aan elkaar klikt.”

Het huidige kunstmatige chromosoom dat de onderzoekers hebben gebouwd, gaat niet als één lange streng DNA de cel in. Het is namelijk lastig om buiten de cel zo’n groot stuk DNA te maken. In plaats daarvan maakten de onderzoekers slim gebruik van een natuurlijk DNA-reparatiemechanisme van gist. Ze brachten kleine stukjes erfelijk materiaal de cel in, waarbij de uiteinden van de ene streng exact hetzelfde waren als de uiteinden van weer een volgende streng. Gistcellen herkennen die identieke uiteinden en knopen ze vervolgens aan elkaar om ze te ‘repareren’. Zo bouwt de cel zelf dus van tientallen losse stukjes één groot chromosoom.

Uitdaging
Het was voor de onderzoekers een uitdaging om de gistcellen ervan te overtuigen om het kunstmatige chromosoom als een ‘echt’ chromosoom te behandelen. “Niet alleen moest de cel ons chromosoom kopiëren, hij moest er ook voor zorgen dat het goed onderhouden werd en dat bij de celdeling één kopie in de moedercel en één in de dochtercel terecht kwam”, legt groepsleider Pascale Daran-Lapujade uit. "Gelukkig weten we welke elementen de cel daarvoor nodig heeft en konden we de juiste stukjes DNA aan ons synthetische chromosoom toevoegen.” Het werkte: de gistcellen kopieerden braaf het DNA van het synthetische chromosoom, en de onderzoekers vonden het generaties later terug in dochtercellen.

De onderzoekers hebben hun creatie uitgebreid getest. Ze kopieerden de genen die verantwoordelijk zijn voor de meest basale functie van een gistcel, de omzetting van suiker in alcohol, naar het synthetische chromosoom. Vervolgens schakelden ze de oorspronkelijke genen uit met behulp van CRISPR-Cas9. De gistcellen konden suikers daarna nog steeds omzetten in alcohol. “Al zagen we wel dat de gistcellen zich daarna minder snel deelden”, aldus Postma. “We onderzoeken nog waarom dat gebeurt.”

Eindeloos
De logische volgende stap is om allerlei nieuwe functionaliteiten aan het kunstmatige chromosoom toe te voegen en bakkersgist op die manier om te bouwen tot microscopische kleine, levende fabriekjes. Ook op dit vlak hebben de Delftse onderzoekers de eerste stap alvast gezet. Ze voegden een biologische pathway (een reactieketen) voor een pigmentstof met medicinale eigenschappen, afkomstig uit een plant, aan hun chromosoom toe. En inderdaad: de gistcellen begonnen het stofje te produceren, zij het in bescheiden hoeveelheden.

De mogelijkheden voor verder onderzoek zijn bijna eindeloos. Er zijn nog heel veel nieuwe pathways te ontdekken in de natuur. En dankzij het snelle tempo waarmee wetenschappelijke ontdekkingen worden gedaan, kunnen gistcellen zo worden aangepast dat ze pathways van zowel planten, bacteriën als andere organismen kunnen dragen. “In theorie kunnen we veel van de stoffen die we nu nog chemisch maken op een duurzame manier produceren met behulp van gist”, aldus Daran-Lapujade. “Wat biotechnologie betreft leven we echt in een fantastische tijd.”