Bacteriën worden levende fabriekjes voor medicijnen en plastic dankzij deze techniek

In een laboratorium in Cambridge groeit een E. coli-bacterie die er op het oog identiek uitziet als haar wilde verwanten. Toch is haar genetische code volledig herschreven. Het is een organisme dat in geen enkel ecosysteem op aarde thuishoort en volgens wetenschappers kan het de manier veranderen waarop we medicijnen en chemicaliën produceren.

Microbiële celfabrieken, zo worden ze genoemd. Het zijn genetisch aangepaste bacteriën die geen afval meer uitscheiden, maar bruikbare bouwstenen voor plastic, medicijnen en meer.

Tien jaar terug was dit nog een klein onderzoeksgebied. Vandaag niet meer. De technieken zijn op vier vlakken in sneltempo vooruitgegaan: ze worden langer, nauwkeuriger, sneller en stabieler. Onderzoekers steken inmiddels DNA-pakketten van honderden ‘kilobasen’ (een kilobase bestaat uit duizend DNA-bouwstenen) in één keer in een cel. Een gemiddeld bacterieel gen is maar één à twee kilobasen lang. Met andere woorden: er kunnen tientallen nieuwe genen in één pakketje worden geleverd.

Techniek in een stroomversnelling

“Vijf tot tien jaar geleden waren onderzoekers grotendeels beperkt tot het inbrengen van een paar genen tegelijk”, vertelt Yue Shen, auteur van een onderzoeksreview over de techniek. Onderzoekers kunnen nu de volledige genetische code van een organisme onder handen nemen. Het Synthetic Yeast Genome Project bouwt al jaren stukje bij beetje een volledig kunstmatig gistgenoom in elkaar. De chromosomen worden tijdens het project niet alleen nagemaakt, maar ook ‘verbeterd’. Onderzoekers hebben er duizenden schakelaartjes ingebouwd waarmee de gist als het ware door zijn eigen DNA kan schudden.

Het resultaat zijn gistvarianten die plotseling hitte tot 39,5 graden verdragen of veel meer waardevolle stoffen produceren dan hun voorouders. Eén experiment liet de productie van caroteen (de stof die wortels hun oranje kleur geeft) met een factor 40 stijgen.

Bij E. coli gaat het nog een stap verder. Onderzoekers hebben bacteriën gemaakt waarvan de genetische ’taal’ volledig is herschreven. Daardoor komen er als het ware nieuwe letters vrij in het alfabet van het leven, die wetenschappers kunnen gebruiken om bouwstenen in eiwitten te stoppen die in de natuur helemaal niet bestaan. Dat maakt het mogelijk om medicijnen en kunststoffen te produceren die nergens in de natuur voorkomen.

“Sommige van de meest opvallende mijlpalen draaien om het bouwen en herschrijven van complete genomen vanaf nul”, zegt Shen. “Dat bewijst dat we het leven nu fundamenteel kunnen herontwerpen op de schaal van het hele genoom.”

Zulke herschreven bacteriën zijn soms ook beter bestand tegen virussen. De virussen die normaal bacteriën aanvallen, gebruiken namelijk een ’taal’ die in de aangepaste gastheer simpelweg niet meer wordt begrepen. Voor de industrie, waar virusbesmettingen in fermentatietanks miljoenen aan schade kunnen veroorzaken, is dat goud waard.

Leestip: Is dit de opvolger van CRISPR? Nieuwe DNA-techniek is vier keer kleiner

Extra chromosomen op bestelling

Een nog recentere ontwikkeling zijn kunstmatige extra chromosomen die volledig vanaf nul worden ontworpen. Ze veranderen niets aan het bestaande genoom, maar werken als een soort modulair platform waarop onderzoekers naar believen genen kunnen plaatsen. In 2024 publiceerde een Chinees team een methode waarmee zo’n extra chromosoom werd gebouwd met maar liefst 542 nieuwe genen. Gistcellen die er een kregen, konden plots suikers verteren die ze anders links lieten liggen, waren beter bestand tegen hitte en zware metalen en produceerden zelfs nieuwe stoffen die niet in de natuur voorkomen.

Veiligheid en ingebouwde noodknoppen

Met zulke krachtige technologie komen vragen over veiligheid en ethiek vanzelf bovendrijven. Wat als zo’n herontworpen bacterie ontsnapt? Wat als de techniek misbruikt wordt?

“De wetenschap neemt veiligheid zeer serieus”, reageert Shen. “Onderzoekers bouwen ‘biocontainment’-mechanismen in, zoals genetische ‘kill switches’ of door de microben afhankelijk te maken van synthetische voedingsstoffen die niet bestaan in de natuurlijke omgeving. Dit zorgt ervoor dat ze, als ze ontsnappen uit het lab of de fabriek, niet kunnen overleven of natuurlijke ecosystemen kunnen verstoren.”

De biologie wordt met al deze technieken bijna net zo voorspelbaar als de elektronica of de scheikunde. Maar Shen waarschuwt voor te veel ongeduld. Voordat we straks op grote schaal medicijnen en plastic door bacteriën laten maken, gaat het nog even duren.

“De voornaamste boodschap is dat biologie echt maakbaar wordt en krachtige, duurzame oplossingen biedt voor wereldwijde productie-uitdagingen”, zegt ze. “Het opschalen van deze processen naar industriële, commercieel competitieve niveaus blijft echter een aanzienlijke technische en economische uitdaging.”

Schrijf je in voor de nieuwsbrief! Ook elke dag vers het laatste wetenschapsnieuws in je inbox? Of elke week? Schrijf je hier in voor de nieuwsbrief!

Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast: