En als we meer leren over hoe beerdiertjes extreme omstandigheden kunnen overleven, kan deze kennis worden toegepast in biomedische technologieën, zoals het behoud en transport van menselijke organen.
Beerdiertjes zijn nagenoeg onverwoestbaar. Je kunt ze blootstellen aan extreme hitte, bevriezen, in een vacuüm plaatsen of zelfs volledig uitdrogen: het lijkt ze allemaal weinig te deren. Deze buitengewone eigenschappen maken beerdiertjes tot een fascinerend onderwerp voor onderzoekers, die niet alleen uit nieuwsgierigheid, maar ook vanwege de mogelijke toepassingen geïnteresseerd zijn in het ontrafelen van hun geheimen. En in een nieuwe studie richtten onderzoekers zich op de kern van hun bizarre eigenschappen: het genoom.
Genoom
We weten dus dat sommige soorten beerdiertjes extreem en ongewoon bestand zijn tegen omstandigheden die voor de meeste andere levensvormen fataal zouden zijn. De genetische basis van dit bijzondere vermogen blijft echter een mysterie. “Om de superkrachten van beerdiertjes te doorgronden, moeten we eerst begrijpen hoe hun genen werken,” legt onderzoeker Takekazu Kunieda uit. “Mijn team en ik hebben een methode ontwikkeld om genen te bewerken – toevoegen, verwijderen of overschrijven -, zoals je zou doen met computergegevens, bij de zeer tolerante beerdiertjessoort Ramazzottius varieornatus. Hierdoor kunnen we nu de genetische eigenschappen van beerdiertjes bestuderen, vergelijkbaar met de manier waarop we dat doen bij gevestigde laboratoriumdieren zoals fruitvliegjes of rondwormen.”
CRISPR
Het team paste een recent ontwikkelde techniek toe, genaamd direct parental CRISPR (DIPA-CRISPR), gebaseerd op de bekende CRISPR-genbewerkingstechniek (zie kader). Deze methode fungeert als een genetische scalpel om specifieke genen nauwkeuriger dan ooit te knippen en te wijzigen. DIPA-CRISPR heeft het vermogen om het genoom van nakomelingen van een doelorganisme te beïnvloeden en heeft eerder effectief gewerkt bij insecten. Nu pasten de onderzoekers deze techniek voor het eerst toe op een ander organisme. En met succes. Ramazzottius varieornatus, een volledig vrouwelijke soort die zich aseksueel voortplant, produceerde consequent nakomelingen met twee identieke kopieën van dezelfde bewerkte genen, waardoor deze soort ideaal is voor DIPA-CRISPR.
CRISPR staat voor Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats en maakt onderdeel uit van een bijzonder efficiënt verdedigingsmechanisme dat bacteriën inzetten in de strijd tegen piepkleine virusdeeltjes (ook wel bacteriofagen genoemd). Deze virusdeeltjes kunnen een bacterie letterlijk kapot maken. Dat doen ze als volgt: ze klampen zich vast aan de bacteriële cel en pompen hun DNA naar binnen, waarna ze de bacterie gebruiken om zichzelf duizenden keren te kopiëren. Zodra dat gelukt is, laten de virusdeeltjes de bacterie uiteenspatten en gaan de duizenden kopieën op zoek naar andere bacteriën waarin ze dat trucje nog eens kunnen herhalen. Gelukkig voor de bacterie is deze in dit hele scenario niet weerloos; hij beschikt over een verdedigingsmechanisme dat CRISPR-Cas wordt genoemd en uit twee onderdelen bestaat. Het ene deel jaagt op vijandelijk DNA en het andere knipt dat DNA kapot. Jaren geleden kwamen onderzoekers tot de briljante conclusie dat dit bacteriële verdedigingsmechanisme ook gebruikt kan worden om specifieke genen in levende cellen uit te schakelen. Of ‘foute’ stukjes DNA op te sporen, weg te knippen en te vervangen door een alternatief stukje DNA. Kortom: CRISPR-systemen bieden ons een relatief gemakkelijke, snelle en bijzonder precieze manier om DNA te bewerken. En niet alleen DNA van virussen, maar ook in planten, dieren en mensen. Naar verwachting kan CRISPR in de toekomst worden ingezet om genetische ziekten, maar bijvoorbeeld ook retrovirussen die zich in het DNA ophouden – denk aan HIV – te bestrijden.
Kortom, met behulp van de CRISPR-techniek hebben onderzoekers nu met het DNA van het beerdiertje geknoeid. En dat leverde direct genetisch gemodificeerde nakomelingen op. “We hoefden alleen maar de met CRISPR geprogrammeerde gereedschappen, die gericht waren op specifieke genen voor verwijdering, in het lichaam van een ouder te injecteren om gemodificeerde nakomelingen te verkrijgen,” legt onderzoeker Koyuki Kondo uit. “We konden ook genetisch gemodificeerde nakomelingen verkrijgen door extra DNA-fragmenten toe te voegen via injectie. Dit stelt ons in staat om nauwkeurig de genomen van beerdiertjes te bewerken. Op deze manier kunnen we bijvoorbeeld bepalen hoe individuele genen tot uiting komen of welke specifieke functies deze genen vervullen.”
Superkracht
Door specifieke genen van beerdiertjes te bewerken, kunnen onderzoekers bestuderen welke van deze genen verantwoordelijk zijn voor de veerkracht van beerdiertjes en hoe deze veerkracht precies werkt. En de meest opmerkelijke ‘superkracht’ van Ramazzottius varieornatus, is dat deze soort langdurig extreme uitdroging kan overleven. Dit kan deels wordt toegeschreven aan een specifiek gel-eiwit in hun cellen. En dat heeft interessante implicaties. Zo geloven Kunieda en andere beerdiertjesonderzoekers dat het de moeite waard is om te bestuderen of een volledig menselijk orgaan ooit succesvol kan worden uitgedroogd en weer gehydrateerd zonder dat dit tot degradatie leidt. Als dit haalbaar blijkt te zijn, zou het een revolutionaire impact kunnen hebben op de manier waarop organen worden gedoneerd, getransporteerd en gebruikt tijdens chirurgische ingrepen om levens te redden.
Al met al zijn onderzoekers er dus in geslaagd om het genoom van beerdiertjes te bewerken. En dat markeert een belangrijke doorbraak in ons begrip van de genetische basis van hun opmerkelijke overlevingsvermogen. Tegelijkertijd kan dit voor sommigen als ‘sciencefiction’ en manipulatie klinken. “Ik begrijp dat sommige mensen zich zorgen maken over genbewerking,” zegt Kunieda. “Maar we hebben de genbewerkingsexperimenten uitgevoerd onder strikt gecontroleerde omstandigheden en de genetisch bewerkte organismen veilig opgeslagen in een afgesloten compartiment. CRISPR kan een buitengewoon krachtig instrument zijn om het leven beter te begrijpen en om praktische toepassingen te ondersteunen die positieve veranderingen in de wereld kunnen teweegbrengen. Beerdiertjes bieden niet alleen inzicht in mogelijke medische doorbraken, maar hun opmerkelijke eigenschappen vertellen ook een fascinerend evolutionair verhaal. We hopen dit verhaal verder te verkennen door hun genomen te vergelijken met die van nauw verwante organismen, gebruikmakend van onze nieuwe DIPA-CRISPR-techniek.”
