Een Amerikaanse onderzoeker heeft een apparaat ontwikkeld dat DNA, RNA, eiwitten en viruspartikels kan printen.

Het apparaat heeft de naam Digital-to-Biological Converter (kortweg DBC) gekregen en is ontwikkeld door de onderzoeksgroep van Craig Venter. Misschien gaat er bij het horen van die naam niet direct een belletje rinkelen. Maar binnen de synthetische biologie wordt de man gezien als een pionier. Hij verbaasde in 2000 vriend en vijand door met weinig mankracht in korte tijd het complete menselijke genoom in kaart te brengen. En in 2010 wist hij alle kranten te halen door – naar eigen zeggen – voor het eerst kunstmatig leven te creëren (zie kader). Een paar jaar later – in 2016 – presenteerde hij een uitgeklede versie van diezelfde synthetische levensvorm die enkel de genen herbergde die deze nodig had om te overleven (en dat waren er – verbazingwekkend genoeg – 437, veel meer dan vooraf werd gedacht).

Synthetisch leven

In 2010 creëerde Venter een volledig synthetisch genoom en plaatste dat vervolgens in een levende cel. Velen – waaronder Venter zelf – bestempelden het resulterende organisme als ‘s werelds eerste synthetische levensvorm. Daar valt echter wel iets op af te dingen. Want dit organisme was niet vanuit het niets gecreëerd: Venter maakte immers alsnog gebruik van een bestaande, levende cel.

DBC
En nu laat Venter dus weer van zich horen. En wel met de DBC. “Allerlei methoden die in het moleculair biologisch lab gebruikt worden, worden in dit apparaat geautomatiseerd,” vertelt professor Oscar Kuipers, als moleculair microbioloog verbonden aan de Universiteit van Groningen.

Van bits naar eiwitten
Maar hoe werkt het apparaat dan precies? “Het begint allemaal met digitale informatie, dus bits: nullen en enen,” stelt Kuipers. Die bits beschrijven een DNA-sequentie, oftewel de volgorde van nucleotiden, waarvan adenine (A), Cytosine (C), Guanine (G) en Thymine (T) de meest voorkomende zijn. “Met twee bits kun je elke letter schrijven. A kan bijvoorbeeld 00 zijn. C kan 10 zijn, G kan 01 zijn en T kan 11 zijn.” Zo’n digitale DNA-sequentie kan het apparaat van Venter vervolgens omzetten in een echt DNA-molecuul, dat bestaat uit twee ketens van duizenden aan elkaar gekoppelde nucleotiden. “Deze DNA-syntheses (de kunstmatig gecreëerde DNA-moleculen, red.) bestaan bijvoorbeeld uit een paar duizend letters. Die kortere stukken DNA kunnen echter aan elkaar gekoppeld worden, zodat grotere stukken DNA ontstaan. En uiteindelijk kun je zo een compleet chromosoom maken.” Zo heeft Venter al aangetoond dat hij het chromosoom van een faag – een klein virus dat alleen een specifieke bacterie infecteert en uit een paar duizend basenparen bestaat – kan produceren. “Maar je kunt zeker ook grotere DNA-sequenties maken.” Het apparaat gaat echter vervolgens nog een stapje verder. “Als je zo’n stuk DNA hebt, kan het apparaat daar nog enzymen aan toevoegen die het DNA omzetten in RNA-moleculen en die coderen dan voor de eiwitten.” Door vervolgens nog wat andere stoffen – waaronder energiedragers, enzymen en ribosomen – toe te voegen, maakt het apparaat een eiwit. “En dat gebeurt dus allemaal in vitro, dus zonder tussenkomst van levende cellen.”

De Digital-to-Biological Converter. Afbeelding: Nature Biotechnology / doi:10.1038/nbt.3859.

Transformatie-unit
Op dit moment kan het apparaat dus DNA-moleculen, RNA-moleculen en eiwitten maken. Daarnaast zit in het apparaat ook een transformatie-unit. Deze transformatie-unit kan het synthetische DNA in een levende cel plaatsen. Het betekent dat het apparaat in staat is om de ‘kunstmatige levensvorm’ die Venter in 2010 presenteerde, te ‘printen’.

Vaccins en medicijnen
Het klinkt heel indrukwekkend. Maar wat kunnen we nu eigenlijk met dit apparaat? Venter ziet grote mogelijkheden. Hij ziet het apparaat al vaccins, medicijnen, voedsel en zelfs complexere levensvormen op misschien wel andere planeten printen. “Het apparaat kan onder meer RNA-moleculen maken en die worden weer gebruikt om vaccins van te maken,” vertelt Kuipers. Er liggen plannen om de DBC kleiner en mogelijk zelfs draagbaar te maken. Het zou kunnen betekenen dat vaccins straks op elke plek gemaakt kunnen worden. Hetzelfde geldt voor sommige medicijnen. “Stel je voor dat je in het regenwoud zit en je loopt een infectie op. Het apparaat kan dan de ziekteverwekker sequencen en daarmee identificeren. Dan kan een arts op afstand het apparaat opdracht geven om een geschikt antibioticum te printen.” Het klinkt misschien te mooi om waar te zijn. “Maar het is zeker niet onmogelijk, want een antibioticum kan een eiwitje of een complexe organische verbinding zijn en zolang je de juiste moleculaire bouwstenen en enzymen hebt, kun je die synthetiseren.”

Wie is Venter?

Sommige mensen noemen hem een genie. Anderen zien hem meer als een geslepen zakenman die erin slaagt om – onder meer bij bedrijven – honderden miljoenen dollars los te peuteren voor zijn onderzoek. Kuipers ontmoette Venter een aantal jaren geleden toen Venter de Leeuwenhoek Medaille in ontvangst mocht nemen. “Het is een charismatische man, een visionair, maar tegelijkertijd is hij ook heel zakelijk.” Of hij net als eerdere ontvangers van de Leeuwenhoek Medaille ooit de Nobelprijs in handen gedrukt gaat krijgen? Het zou Kuipers niet verbazen. “Hij heeft misschien geen concrete grote ontdekking gedaan, maar hij heeft wel enorm veel kennis verzameld en die kennis snel gebruikt om onderzoek en synthese te automatiseren. De moleculaire biologie is door hem absoluut in een versnelling geraakt.”

Biologische teleportatie naar Mars
Maar Venter droomt groter. Hij ziet het ook wel voor zich dat dit apparaat in de toekomst naar Mars wordt gestuurd om daar micro-organismen te printen die de rode planeet terravormen. Of misschien kunnen we de planeet zelfs wel van een afstandje koloniseren door het genoom van complexere levensvormen – misschien zelfs mensen – naar zo’n apparaat op Mars te sturen. Venter noemt dat ‘biologische teleportatie’. “Het is een beetje Jules Verne-denken,” vindt Kuipers. Want er zitten vanzelfsprekend nogal wat haken en ogen aan dit wilde plan. “Eerst moet je het apparaat daar zien te krijgen en het moet ook daar – bij lage temperaturen en extreme omstandigheden – functioneren. Bovendien heeft Venter nog niet laten zien dat hij zonder tussenkomst van levende cellen een organisme kan printen. Dus dat betekent dat je cellen, al dan niet voorgeprepareerd, mee moet sturen om leven te kunnen ‘printen’.” Kuipers ziet zelf meer in die andere toepassing: snel medicijnen en vaccins printen op de plekken waar dat nu heel lastig is.

Echt nieuw leven printen
Biologische teleportatie mag dan ver weg zijn: het maakt Kuipers niet minder enthousiast over de DBC. “Het is heel mooi dat er nu een machine is die van elke sequentie in principe een eiwit kan maken. Natuurlijk zijn er nog wel wat problemen.” Zo is niet elk eiwit dat Venter maakt, functioneel, omdat niet elk eiwit zich direct goed vouwt. “Daarvoor heb je hulp-eiwitten of andere stofjes nodig, maar die kunnen in de toekomst natuurlijk in het apparaat worden toegevoegd. In theorie is dan ook niets onmogelijk. De logische vervolgstap? Met dit apparaat een compleet genoom synthetiseren en in een bacterie plaatsen, zodat een heel nieuwe bacterie ontstaat.” Die nieuwe bacterie kan – in de toekomst wellicht samen met synthetische hogere organismen – ingezet worden om stoffen te produceren die wij mensen nodig hebben. “Denk aan medicijnen of voedsel.” En dat toekomstbeeld is de opmaat naar de heilige graal binnen de synthetische biologie: leven maken from scratch. “Dat is de uitdaging. Van levenloos materiaal – nucleotiden, aminozuren, suikers, vetten, metalen en vitamines – leven maken,” bevestigt Kuipers. “Maar dat is nog ver weg. Dat kan nog wel 20 jaar duren. Maar als het lukt, kunnen we ook dat proces waarbij uit moleculen cellen worden gemaakt, automatiseren.”

Venter mag dan zo langzamerhand uitgegroeid zijn tot het gezicht van de synthetische biologie: hij is bij lange na niet de enige die in dit onderzoeksveld actief is. Talloze onderzoeksgroepen wereldwijd proberen nieuwe moleculen en stofwisselingsprocessen in bacteriën te brengen of zelfs vanuit niets een micro-organisme te scheppen. En het lijkt een kwestie van tijd voor zij met semi-synthetische levensvormen op de proppen komen die de wereld gaan veranderen. “Ik denk dat de impact van dit onderzoeksveld enorm kan zijn. Het is een beetje vergelijkbaar met de impact die de smartphone en de personal computer op de wereld hebben gehad, denk ik.” Alleen zal de synthetische biologie toch het speelveld blijven van de specialisten. “Ik denk niet dat elke burger straks zijn eigen medicijnen print, maar de apotheek op de hoek wel.” Voor het zover is, zullen de ethische bezwaren die er altijd zijn als het gaat om het ‘knutselen met DNA’, nog regelmatig de kop opsteken. Maar ze zullen de opmars van Venter en collega’s hooguit vertragen en zeker niet stoppen. “Elke technologie kan natuurlijk ten goede of ten kwade gebruikt worden,” benadrukt Kuipers. “Maar ik kan veel gevaarlijkere technologieën bedenken dan deze.”