Wetenschappers verwisselden de helft van het DNA van een gistcel met DNA dat ze zelf in het lab hadden gecreëerd.

Bijna elk molecuul is te maken in het lab. Is het dan ook mogelijk om een levend organisme te bouwen? De eerste stap daarvoor is het kunstmatig namaken van het totale genenbestand, of genoom, en dat in een cel te zetten. Bij gistcellen is dat nu gelukt, zo melden onderzoekers die deelnemen aan het Synthetic Yeast Genome Project. De resultaten verschenen in meerdere papers in Cell en Cell Genomics, de belangrijkste vind je hier.

Lees ook:

• Wetenschappers ontrafelen eindelijk het Y-chromosoom
• Waarom hebben chromosomen de vorm van een X?
• Kunnen we kunstmatig leven creëren in een lab?

Brood bakken

Het bouwen van een genoom is alsof je het besturingssysteem van een levende cel from scratch maakt. Geen makkelijke klus dus. Toch is het al eens gelukt bij de meest simpele cel, de bacterie. Maar een ingewikkeldere cel, een zogenoemde eukaryotische cel, is andere koek.

De wetenschappers van het project, onder leiding van Jef Boeke van de New York University, wilden het toch proberen bij bakkersgist (saccharomyces cerevisiae). Deze gistsoort wordt al duizenden jaren gebruikt om brood te bakken en bier te brouwen. En hij is door en door bekend bij genoom-onderzoekers, dus de ideale kandidaat om synthetisch na te bouwen.

Nieuw chromosoom

Hoe dat in zijn werk ging? Eerst verwijderden de onderzoekers de stukjes DNA die niet voor eiwitten coderen, het zogenoemde junk-DNA. Vervolgens voegden ze nieuw DNA toe dat moet helpen om het onderscheid te maken tussen de nagebouwde en natuurlijke genen. Een soort watermerk dus. Ten slotte introduceerden ze een ingebouwde diversiteitgenerator, die de volgorde van de genen door elkaar husselt. Dit zorgt er volgens het team voor dat de DNA-strengen stabieler worden.

Om de stabiliteit verder te verhogen, haalden Boeke en collega’s ook de genen die coderen voor zogenoemd transfer-RNA uit het DNA. Transfer-RNA (tRNA) is een op DNA lijkend molecuul dat wordt gebruikt om eiwitten te produceren. De onderzoekers verplaatsen de genen voor deze ‘eiwitfabriekjes’ naar een geheel nieuw synthetisch chromosoom, een neochromosoom.

Kruisen

Dat was op zichzelf al een prestatie, maar de onderzoekers gingen nog verder. Verschillende teams binnen het Synthetic Yeast Genome Project maakten elk apart de zestien chromosomen die de bakkersgistcel bezit synthetisch na. Dat leverden in totaal zestien verschillende gistcellen op. Elk daarvan had één synthetisch chromosoom (elke cel een andere) en vijftien natuurlijke chromosomen.

Daarna volgde de ultieme uitdaging: zoveel mogelijk synthetische chromosomen moesten worden samengebracht in één enkele gistcel. Alle zestien chromosomen in één klap synthetisch maken, bleek onmogelijk. Dus was het een kwestie van de gistcellen kruisen, zodat hun nakomelingen meerdere synthetische chromosomen zouden bevatten. Het duurde heel wat cyclussen, maar uiteindelijk lukte het om zeven volledig synthetische chromosomen in een enkele (levende) gistcel terecht te laten komen.

Debugging

De resulterende gistcel bestond dus voor ongeveer de helft uit synthetisch DNA. Dat ging de cel niet in koude kleren zitten, want erg goed groeien deed hij niet. Volgens de onderzoekers lag dat aan de optelsom van vele kleine knip- en plakfoutjes die tijdens het proces zijn ontstaan. Zij repareerden de bugs met behulp van de moderne DNA-modificatie-techniek CRISPR-Cas9. Dankzij deze debugging kon de gistcel net zo goed gedijen en voorplanten als zijn wilde soortgenoten.

Volgens Boeke en collega’s leren de resultaten van het project wetenschappers over de voorwaarden voor het genoom en daarmee het leven. De volgende stap is het combineren van alle zestien synthetische chromosomen in één enkele gistcel. Dat zou het ultieme synthetische gistgenoom opleveren, geeft Boeke aan. “Vanaf dan kunnen we gistcellen maken die dingen kunnen doen die we nooit eerder hebben gezien.”

Bronnen: Cell, Cell Press via EurekAlert!

Beeld: Cell/Zhao et al.

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!