Dit is de eerste keer dat wetenschappers het genoom van een eukaryoot organisme volledig zelf proberen te creëren, een enorme mijlpaal.
Mensen hebben al duizenden jaren een nauwe band met gist. Zo wordt het al sinds mensenheugenis gebruikt om te bakken en te brouwen. Meer recentelijk wordt gist ook gebruikt in de chemische productie en als modelorganisme om te begrijpen hoe onze eigen cellen functioneren. Dankzij deze lange geschiedenis en intensieve studie kennen we de genetica van gist beter dan die van welk ander organisme dan ook. En daar maken onderzoekers nu handig gebruik van. Zo zijn ze er nu in geslaagd om in het laboratorium half-synthetische gist te creëren. En dat is veelbelovend. Het volledig herschrijven van het gistgenoom zou kunnen leiden tot de creatie van een nieuwe gistvariant die sterker is, sneller groeit, een hogere opbrengst heeft én beter bestand is tegen uitdagende omstandigheden.
Chromosomen
Gist (Saccharomyces cerevisiae) bestaat in totaal uit 16 chromosomen. En voor elk van deze chromosomen is nu een kunstmatige versie gefabriceerd, zo schrijven wetenschappers in twee afzonderlijke studies (die hier en hier te lezen zijn). “Ons doel is om de basisprincipes van genomen te begrijpen door synthetische genomen te construeren,” legt onderzoeker Patrick Yizhi Cai uit. “We hebben nu het besturingssysteem van bakkersgist volledig herzien, wat een nieuw tijdperk in de biotechnologie inluidt. We gaan van het sleutelen aan slechts enkele genen naar het volledig ontwerpen en bouwen van complete genomen.”
Eén gistcel
Omdat het genoom van gist is verdeeld over zestien chromosomen, zijn de wetenschappers begonnen met het afzonderlijk bouwen van elk chromosoom. Dit resulteerde in zestien gedeeltelijk synthetische giststammen, die elk 15 natuurlijke chromosomen en één synthetisch chromosoom bevatten. De volgende uitdaging was om deze synthetische chromosomen te combineren in één gistcel. Om dit te bereiken, kruisten de onderzoekers verschillende gedeeltelijk synthetische giststammen en zochten vervolgens tussen hun nakomelingen naar individuen die beide synthetische chromosomen droegen. Uiteindelijk slaagde het team erin om alle eerder gesynthetiseerde chromosomen – zeven in totaal – geleidelijk in één enkele gistcel te consolideren. De giststam die ze uiteindelijk creëerden, bestaat voor meer dan 50 procent uit synthetisch DNA. Deze stam is in staat om te overleven en vermenigvuldigt zich op dezelfde manier als wilde giststammen.
Synthetisch eukaryote genoom
De studie is een geweldige stap voorwaarts. Want hoewel wetenschappers eerder bacteriële en virale genomen hebben gesynthetiseerd, is dit de allereerste poging om een kunstmatig genoom van een eukaryoot organisme – een levend organisme met een celkern – te creëren. “Het wereldwijde Yeast 2.0-project probeert iets te doen dat nog nooit eerder is gedaan,” zegt onderzoeker Tom Williams. “Dit is de eerste keer dat we proberen het genoom van een eukaryoot organisme – waar ook mensen onder geschaard kunnen worden – te creëren.” Gist werd specifiek gekozen voor dit project vanwege zijn compacte genoom en het vermogen om DNA aan elkaar te koppelen, waardoor wetenschappers synthetische chromosomen in gistcellen konden bouwen.
Designergenoom
Kortom, met de studie hebben de onderzoekers een grote stap gezet richting een designergenoom voor bakkersgist. Dit genoom verschilt overigens aanzienlijk van het natuurlijke genoom van gist dat wordt gebruikt in brouwerijen en bakkerijen. “We hebben ervoor gekozen om iets te creëren dat aanzienlijk afwijkt van de natuurlijke vorm,” zegt onderzoeker Jef Boeke. “Ons ultieme doel is om een giststam te ontwikkelen die ons nieuwe inzichten in de biologie kan verschaffen.”
Verschillen
Het synthetische genoom is dus alles behalve een exacte kopie van het natuurlijke genoom. En dat is met opzet. Zo beschikt het synthetische genoom over nieuwe eigenschappen die cellen unieke kenmerken geven die je niet in de natuur aantreft. Een van deze eigenschappen stelt wetenschappers in staat om de genen van cellen opnieuw te rangschikken, waardoor ze miljoenen verschillende versies van cellen kunnen maken met verschillende kenmerken. Ze kunnen dan de cellen selecteren die het beste zijn voor specifieke toepassingen in de geneeskunde, bio-energie en biotechnologie.
Mijlpaal
De onderzoekers zijn dan ook erg enthousiast. “Dit is een opwindende prestatie op het gebied van biotechnologie,” onderstreept Cai. “Hoewel we al geruime tijd in staat zijn om genen te bewerken, is het schrijven van een eukaryoot genoom vanaf het allereerste begin iets compleet nieuws. Dit werk is cruciaal voor ons begrip van de fundamenten van het leven en heeft het potentieel om de wereld van de synthetische biologie te transformeren.” De creatie van de synthetische chromosomen zijn al grote technische prestaties op zich, maar ze zullen ook nieuwe manieren mogelijk maken om biologie te bestuderen en te gebruiken. Dit kan variëren van het creëren van nieuwe microbiële stammen voor milieuvriendelijkere bioproductie tot het helpen begrijpen en bestrijden van ziekten.
Het einddoel van dit project is om alle individuele synthetische chromosomen samen te voegen tot een volledig synthetische cel. Het team streeft ernaar dat deze door mensen gemaakte gist net zo krachtig en gezond is als wilde gist. Deze stam zal niet alleen de allereerste synthetische eukaryoot zijn, maar ook de eerste die gezamenlijk is gecreëerd door wetenschappers over de hele wereld. “We staan nu op het punt om alle zestien chromosomen in één cel samen te voegen,” zegt Boeke. “Ik beschouw dit als het afronden van het begin, niet het begin van het einde. Het echte avontuur begint pas wanneer we gaan ontdekken welke fantastische dingen we met deze gist kunnen bereiken, dingen die we ons nu nog niet kunnen voorstellen.”
