Onderzoekers van het vermaarde Amerikaanse J. Craig Venter Institute hebben een bacterie gebouwd met het kleinste genenpakket dat bestaat in een levend organisme. De eencellige met de naam JCVI-syn3.0 heeft slechts 473 genen; van grofweg tweederde hiervan is precies bekend welke biologische functie ze hebben. De kunstbacterie moet gaan dienen als platform voor onderzoekers en bedrijven in de biotechnologie.


Als je de biologie van bacteriën écht wil begrijpen, dan moet je ze zelf gaan bouwen. Dat is althans de filosofie van het J. Craig Venter Institute. Dat loopt dan ook al jaren voorop in de synthetische biologie. In 2010 had het de grootste doorbraak: Craig Venter en collega’s slaagden er toen in om het genenpakket van de ene bacterie te verplaatsen naar de andere bacterie, die vervolgens vrolijk doorleefde.


Nuttige stoffen produceren

Het bouwen van cellen dient een tweeledig doel: meer begrip over de biologie (hoe werkt de natuur) en daarnaast kunnen door mensen ontworpen organismen op efficiënte wijze nuttige stoffen voor ons gaan produceren. Denk aan brandstoffen of medicijnen. Het idee is dat geëngineerde bacteriën dit veel efficiënter zullen kunnen dan in de natuur voorkomende micro-organismen die met genetische modificatie zijn aangepast.

Onze huidige kennis van de biologie is blijkbaar niet voldoende om vanuit niets een levend organisme te bouwen

De onderzoekers van pionier Craig Venter hebben nu een bacterie gebouwd met een minimaal genenpakket. Het aantal genen is met 473 zelfs kleiner dan dat van de recordhouder in de natuur: het mycoplasma genitalium telt 525 genen. Ter vergelijking: de mens heeft zo’n 20 000 genen.


Ontwerpen, maken, inbouwen

In eerste instantie hoopten de onderzoekers dat ze het minimale genenpakket konden ontwerpen, vervolgens maken (de hiervoor benodigde hulpmiddelen zijn inmiddels redelijk standaard) en het ten slotte in een van tevoren leeggemaakte cel konden inbouwen. Dat was echter te simpel gedacht. ‘Onze huidige kennis van de biologie is blijkbaar niet voldoende om vanuit niets een levend organisme te bouwen. Ik was verrast’, verklaarde een teleurgestelde Craig Venter op de nieuwswebsite van Science.


Trial-and-error

Het begint linksboven, bij het ontwerp van het genoom;
vervolgens de synthese in het lab, het klonen in
gistcellen en helemaal links het testen van het
gebouwde genoom in de bacterie.
Vier van deze cycli werden doorlopen bij het
maken van de kunstmatige bacterie JCVI-syn3.0.
Bron: Hutchison et al., Science.

Het team vond een uitweg met de aloude trial-and-error-aanpak. Uitgangspunt hiervan was hun bacterie uit 2010. Nu pakten ze dit genoom en sloopten er systematisch steeds een stukje DNA uit; vervolgens keken ze of het organisme nog levensvatbaar was. Was dat het geval, dan was dat stukje blijkbaar overbodig; leefde de cel niet dan stopten ze het betreffende gen terug en gingen ze naar het volgende fragmentje.

Met behulp van dit monnikenwerk kwamen ze uiteindelijk uit op een pakket van 473 genen dat absoluut noodzakelijk is voor de bacterie om te kunnen leven. De onderzoekers hadden oorspronkelijk de hoop om een organisme te creëren waarvan ze bij elk gen de functie konden achterhalen, maar dat is niet gelukt. Van 149 genen is de functie nog onbekend.


Platform voor onderzoekers

De kunstmatig gemaakte bacterie moet gaan dienen als platform voor onderzoekers en bedrijven in de biotechnologie. Zij kunnen genen één voor één toevoegen om te bestuderen wat daarvan het effect is. Met 473 genen is de kunstmatige bacterie JCVI-syn3.0 trouwens niet eens zoveel simpeler dan de eenvoudigste uit de natuur. Maar de kunstbacterie deelt veel sneller: in pakweg drie uur is de populatie verdubbeld, terwijl mycoplasma genitalium daar weken over doet. Daar willen onderzoekers niet op wachten.


Lees alle details over het onderzoek in het artikel Design and synthesis of a minimal bacterial genomein vakblad Science.


Openingsbeeld: afbeelding van een kolonie JCVI-syn3.0-bacteriën onder een scanningelektronenmicoscoop. Bron: Tom Deerinck and Mark Ellisman/National Center for Imaging and Microscopy Research.