De cel – uitgerust met op de computer ontworpen DNA – moet meer inzicht geven in de basale processen die aan het leven ten grondslag liggen.

Vijf jaar geleden creëerden wetenschappers een in het lab ontworpen eencellig organisme dat met slechts 473 genen de eenvoudigste levende cel ooit was. Dit bacterie-achtige organisme gedroeg zich echter wat vreemd. Het wist te groeien en zich te delen, alleen produceerde het vervolgens cellen van verschillende vormen en maten. Onderzoekers hebben zich nu wederom over de synthetische cel gebogen. En in een nieuwe studie zijn ze erin geslaagd om zeven genen te identificeren die toegevoegd kunnen worden om de weerbarstige aard van de cellen te temmen.

Synthetisch genoom
Het bouwen van synthetische cellen gaat al even terug. In 2010 werd de eerste steen gelegd. Toen presenteerden onderzoekers het eerste organisme in de geschiedenis van het leven op aarde met een volledig synthetisch genoom. De onderzoekers namen hiervoor de cellen van een heel eenvoudig type bacterie (een mycoplasma genaamd). Vervolgens vernietigden ze het DNA in die cellen en vervingen dit door DNA dat door een computer was ontworpen en in een laboratorium was gesynthetiseerd.


JCVI-syn3.0
Een paar jaar later brachten wetenschappers dat organisme terug tot zijn minimale genetische componenten. Maar deze supereenvoudige cel – dat de naam JCVI-syn3.0 kreeg – was misschien té minimalistisch; het gedroeg zich niet zoals wetenschappers graag wilden. Wanneer JCVI-syn3.0 zich begon te delen, ontstonden er veel nieuwe cellen in allerlei vormen en maten. Sommige cellen vormden filamenten. Anderen leken zich niet volledig te scheiden, waardoor het een beetje begon te lijken op kralen geregen aan een touwtje.

Nieuwe variant
In de nieuwe studie wilden onderzoekers dit probleem oplossen. Ze voegden 19 genen aan de synthetische cel toe, waaronder zeven die nodig zijn voor een normale celdeling. Op deze manier ontstond er een nieuwe variant: JCVI-syn3A. En deze synthetische cel deelt zich weer keurig in nette, uniforme bolletjes. Wat opvallend is, is dat deze nieuwe variant bestaat uit minder dan 500 genen. Om dat in perspectief te plaatsen: de E. coli-bacteriën die in je darmen leven hebben ongeveer 4.000 genen. Een menselijke cel heeft er ongeveer 30.000.

Een time-lapse-video waarin te zien is hoe het synthetische organisme JCVI-syn3A groeit en zich deelt onder een lichtmicroscoop. De schaalbalk is 50 micrometer. Afbeelding: E. Strychalski/NIST and J. Pelletier/MIT

De resultaten betekenen dat onderzoekers er nu in geslaagd zijn om de synthetische cel te verbeteren, zodat deze toch weer in staat is om zich op een normale manier te delen. Dat was echter nog niet zo gemakkelijk. Het identificeren van de zeven genen die hier verantwoordelijk voor zijn, kostte jaren van nauwgezette inspanning. De onderzoekers construeerden tientallen varianten door systemisch genen toe te voegen en weer te verwijderen. Uiteindelijk wisten ze de juiste genen aan het licht te brengen die de klus konden klaren. “Ons doel is om de functie van elk gen precies te kennen, zodat we een compleet model kunnen ontwikkelen van hoe een cel werkt,” vertelt onderzoeker Emily Pelletier. Dat doel is echter nog niet behaald. Van de zeven genen die aan het organisme zijn toegevoegd en verantwoordelijk zijn voor een normale celdeling, weten wetenschappers maar van twee wat ze doen. De rollen die de andere vijf spelen bij de celdeling is nog niet bekend.


Leven
“Het leven is nog steeds een zwarte doos,” zegt onderzoeker Elizabeth Strychalski. Maar de nieuw ontworpen vereenvoudigde synthetische cel krijgen wetenschappers wel een goed beeld van wat er binnenin gebeurt. De onderzoekers hopen dat de cel uiteindelijk meer inzicht geeft in de basale processen die aan het leven ten grondslag liggen. “We willen de fundamentele regels van het leven begrijpen,” licht Strychalski toe. “Als deze cel ons kan helpen die regels te ontdekken en te begrijpen, dan kunnen we weer een stap verder denken.”

Wat de onderzoekers ermee willen doen? Ze stellen zich voor dat het onderzoek naar het ontwerp van hele nuttige synthetische cellen kan leiden. Dergelijke cellen zouden bijvoorbeeld in de toekomst kunnen gaan fungeren als kleine fabriekjes. Ze zouden een rol kunnen spelen bij de productie van voedsel en brandstof. Maar mogelijk kunnen ze ook ziektes detecteren en medicijnen ontwikkelen waarmee de ziekte behandeld kan worden, terwijl ze in ons lichaam leven. De cellen functioneren in dat geval misschien wel als hele kleine computertjes. Dit is momenteel natuurlijk nog toekomstmuziek. Maar potentie heeft het zeker.