Biotechnologie

85
BASISSTOF
UITBREIDINGSSTOF
1 Wat is biotechnologie?
86
2 Natuurlijke genoverdracht
87
2.1 Genoverdracht van bacterie naar plant
2.2 Genoverdracht tussen bacteriën
2.3 Genoverdracht via virussen
3 Kunstmatige genoverdracht
3.1 Kunstmatige genoverdracht door bacteriën
3.2 Plasmiden en de specifieke werking van
restrictie-enzymen
4 Toepassingen
4.1 Toepassingen in de geneeskunde
4.2 Toepassingen in land- en tuinbouw
4.3 Toepassingen ten voordele van het milieu
5 Enkele waardevolle technieken
94
94
95
96
96
99
101
6.1 Onderzoekers versus publieke opinie
6.2 Enkele gegevens over GGO’S
110
110
110
VERRIJKINGSSTOF
7 Bioinformatica
113
8 Principe van DNA-sequencing
115
9 Stamcellen en stamceltherapie
117
9.1 Eigenschappen van stamcellen
9.2 Stamceltherapie versus celtherapie
9.3 Enkele concrete toepassingen van
stamceltherapie
SYNTHESE
117
117
118
119
102
102
104
105
107
107
THEMA
5.1 Klonen
5.2 Polymerase Chain Reaction (PCR)
5.3 Restrictiefragment-lenght-polymorfisme
(RFLP) en DNA-fingerprint
5.4 Toepassingen van PCR, RFLP
en DNA-fingerprint
5.5 Technieken om transgene organismen
te vormen
87
88
89
6 Biosociale problematiek
13 Biotechnologie
In de biotechnologie worden nieuwe technieken ontwikkeld om het genetisch
materiaal van organismen gericht te wijzigen en te gebruiken. Het gaat dikwijls over
het verfijnen van technieken die we ook in de natuur aantreffen. De toepassingen
van die biotechnologische ontdekkingen krijgen meer en meer een concrete weerslag
op ons dagelijks leven.
86
THEMA
13
BIOTECHNOLOGIE
BASISSTOF
1
˘
Wat is biotechnologie?
OB
OPDRACHT 13.1
De term biotechnologie bestaat uit twee delen: bios, het
Griekse woord voor ‘leven’, en technologie, wat wijst op
menselijke tussenkomst. Biotechnologie wordt gedefinieerd als het gebruik van levende organismen of delen
ervan om producten te maken of te wijzigen, planten of
dieren aan te passen of micro-organismen voor
specifieke doeleinden te ontwikkelen.
De klassieke biotechnologie (afbeelding 13.1 A) omvat de
traditionele selectie- of veredelingstechnieken voor het
kweken van dieren en planten en het gebruik van
bacteriën, gisten en schimmels voor het maken van
brood, bier, wijn en kaas.
Uit de genoomwetenschap ontwikkelde zich een relatief
recente wetenschapstak, transcriptomics (transcriptoomstudie). Niet zozeer de structuur van de genen is
hier het onderwerp, maar wel de mate waarin die genen
worden overgeschreven tot mRNA-moleculen.
Een heel recente ontwikkeling in het post-genoomtijdperk is proteomics. Waar transcriptomics de transcripten onder bepaalde condities in kaart wil brengen, doet
proteomics dat met de proteïnenverzameling.
In dit thema gaan we dieper in op een onderdeel van de
genoomstudie, de gentechnologie (afbeelding 13.1 B). Dat
is het domein van de biotechnologie dat ingrijpt op het
DNA. We bespreken ook enkele gevolgen op het proteïneniveau.
De moderne biotechnologie omvat drie grote domeinen:
genomics, transcriptomics en proteomics (¬ V 7).
De studie van de verzameling van genen van organismen wordt genomics (genoomstudie of genoomwetenschap) genoemd. Dankzij genomics beschikken
onderzoekers nu over de DNA-sequenties van verscheidene eukaryoten (o.a. de mens), prokaryoten en celorganellen (o.a. mitochondriën, chloroplasten). Intussen is
het besef gegroeid dat DNA-sequenties alleen niet
genoeg informatie bieden om alle biologische processen
te begrijpen.
Afb. 13.1
A Traditionele veredeling
B Biotechnologie
resultaat
plant 1
X
plant 2
gewenste en
ongewenste
eigenschappen
A
resultaat
plant 1
B
plant 2
alleen de gewenste
eigenschap
THEMA
13
BIOTECHNOLOGIE
BASISSTOF
2
Natuurlijke
genoverdracht
Gentechnologie is gebaseerd op natuurlijke processen.
Overdracht van genen treffen we in de natuur immers
aan bij bacteriën en virussen. Die genoverdracht komt
neer op een recombinatie van DNA.
2.1 Genoverdracht van bacterie naar plant
2.1.1 Genetisch materiaal bij bacteriën
Het erfelijk materiaal van bacteriën bestaat uit een
grote, dubbelstrengige ringvormige DNA-molecule, die
als een kluwen opgerold is en soms als chromosoom
wordt aangeduid. De bacterie bevat ook één of meerdere
kleine ringvormige dubbelstrengige DNA-moleculen die
plasmiden worden genoemd (afbeelding 13.2).
Afb. 13.2
De colibacil en de agrobacterie
DNA-molecule
plasmide
reuzeplasmide
Afb. 13.3
Er zijn grote en kleine plasmiden. Bacteriën met kleine
plasmiden, zoals de colibacil (Escherichia coli), repliceren
vaak hun plasmiden, zodat een bacterie soms tientallen
kopieën van een bepaald plasmide bevat. De bacterie
kloont dat plasmide.
Grote plasmiden komen maar in één of twee exemplaren per cel voor. De agrobacterie (Agrobacterium
tumefaciens) bezit slechts één reuzeplasmide (afbeelding 13.2).
2.1.2 Levenscyclus van de agrobacterie
DNA-molecule
COLIBACIL
De proteïnen, zoals de verteringsenzymen die voor de
vitale levensprocessen van de bacterie van belang zijn,
worden door de ringvormige DNA-molecule gecodeerd.
De plasmiden kunnen genen dragen, zoals de resistentiegenen (R-genen) die voor niet-essentiële eiwitten
zorgen. Elk R-gen codeert dan voor een enzym dat een
bepaald antibioticum of een ontsmettingsmiddel (bv.
chloramfenicol) kan afbreken. Een antibioticum (letterlijk:’ tegen wat leeft’) is een stof die het metabolisme
van bacteriën verstoort. Wanneer de bacterie het antibioticum kan afbreken, wordt haar metabolisme niet
verstoord en is ze resistent tegen dat antibioticum.
AGROBACTERIE
De agrobacterie is een bodembacterie die tumoren kan
doen ontstaan in planten (tumefaciens = tumorverwekkend). Als bijvoorbeeld een aardappelplant, een wilg, een
tomatenplant of een kolensoort gekwetst is, kan de
agrobacterie de wonde binnendringen (afbeelding 13.3).
Ze kan dan een bepaald deel van haar plasmide, het
zogenaamde T-gebied (T van ‘transferred’), overdragen
aan de plantencel.
Onder invloed van dat T-DNA gaat de geïnfecteerde cel
ongeordend delen en vermeerderen. Zo ontstaat een
plantentumor (afbeelding 13.4). We spreken van een
tumorinducerend plasmide (Ti-plasmide).
Levenscyclus van Agrobacterium tumefaciens
T-DNA
T-DNA
wonde
Ti-plasmide
Agrobacterium tumefaciens
87
88
THEMA
13
BIOTECHNOLOGIE
BASISSTOF
De plantencellen worden bovendien aangezet tot de
productie van voedingsstoffen voor de agrobacteriën. De
bacterie heeft dus de plantencel volledig gemanipuleerd.
Dat biologische proces werd in 1974 ontdekt en wordt
sinds 1983 door Prof. Van Montagu toegepast om
planten genetisch te manipuleren.
Afb. 13.4
Tumor op wilgenboom veroorzaakt door Agrobacterium
De lokalisatie van de resistentiegenen op de plasmiden
en de waarneming dat tyfusbacteriën de resistentie van
colibacillen kunnen overnemen, bewijst dat bacteriën in
staat zijn om plasmiden of delen van plasmiden op
elkaar over te dragen.
Die genoverdracht verloopt volgens een mechanisme
dat conjugatie wordt genoemd. Twee bacteriën
wisselen DNA uit via een koppelbuisje of pilus (afbeelding 13.6). Door de hoge vermenigvuldigingssnelheid
kunnen bacteriën op die wijze op heel korte tijd
resistentiefactoren verspreiden.
Afb. 13.6
Genoverdracht door conjugatie
A Schematische voorstelling
B EM-foto
1
RESISTENTE
BACIL
3
2.2 Genoverdracht tussen bacteriën
Door veel en onzorgvuldig gebruik van antibiotica
kunnen bacteriënstammen reistentie ontwikkelen. Zo
bleek voor bepaalde tyfuspatiënten een behandeling
met antibiotica niet meer te helpen. Onderzoek wees uit
dat de natuurlijke colibacillen van het darmstelsel
multiresistent waren en de resistentiegenen (afbeelding
13.5) overgedragen hadden op de tyfusbacillen
(Salmonella typhosa).
Afb. 13.5
gen
R-gen
voor
tetracycline
B
R-gen
voor
sulfonamide
R-gen voor streptomycine
4
BEIDE BACTERIËN ZIJN RESISTENT.
transfergen
R-gen
voor neomycine
koppelbuisje
A
Plasmide met meerdere resistentiegenen en een transfer-
R-gen
voor
chloramfenicol
NIET-RESISTENTE
BACIL
2
THEMA
13
BIOTECHNOLOGIE
BASISSTOF
2.3 Genoverdracht via virussen
2.3.2 Genoverdracht van een virus naar een bacterie
2.3.1 Levenscyclus van een virus
Een virus die op een bacteriecel parasiteert, draagt de
naam bacteriofaag (bacteriëneter), kortweg faag. Een
lambdabacteriofaag heeft een veelvlakkige kop en een
staartstuk met fibrillaire aanhangsels (afbeelding 13.8).
De kop wordt gevormd door een DNA-molecule die
omgeven is door een eiwitmantel. Het staartstuk is een
proteïneschede die uitloopt op proteïnevezels.
Het DNA codeert voor de proteïnen van de eiwitmantel
en het staartstuk. De faag kan die proteïnen echter niet
zelf aanmaken. Hij beschikt niet over de nodige
enzymen voor transcriptie en translatie. Hij beschikt
evenmin over de nodige enzymen voor DNA-replicatie.
Hij is wél in staat om zijn DNA in te bouwen in het DNA
van de bacterie en zo de bacterie aan te zetten tot het
aanmaken van faag-DNA en faag-proteïnen.
Een virus (afbeelding 13.7) bestaat uit een nucleïnezuur
(DNA of RNA) dat omgeven is door een eiwitmantel.
Sommige virussen hebben rond die eiwitmantel een
envelop die bestaat uit een dikke laag vetten en
glycoproteïnen.
Virussen vertonen zowel kenmerken van levende als van
niet-levende wezens. Alle levende wezens bestaan uit
één of meerdere cellen, virussen niet. Ze hebben geen
cytoplasma of celorganellen en daardoor ook geen eigen
metabolisme. Een virus dringt een gastheercel binnen
en is er voor zijn metabolisme en voortplanting
afhankelijk van. Een virus is obligaat parasiet. De levenscyclus van een virus verloopt altijd ten koste van die
gastheercel. Als een virus zich buiten een cel bevindt,
kristalliseert het.
Afb. 13.7
A Schematische voorstelling van een DNA-virus
B EM-foto van een RNA-virus: het griepvirus
Afb. 13.8
A Schematische voorstelling van een lambdabacteriofaag
B EM-foto van lambdabacteriofagen die een colibacil
aanvallen
glycoproteïne
dubbele
lipidenlaag
kop
DNA
envelop
schede
proteïnehulsel
eiwitmantel
staartstuk
lineair
dubbelstrengDNA
fibrillaire
aanhangsels
A
A
B
B
89
THEMA
13
BIOTECHNOLOGIE
BASISSTOF
Het verloop van de levenscyclus van een bacteriofaag
ziet er als volgt uit (afbeelding 13.9).
• Infectie
De faag hecht zich vast aan de bacterie. Een enzym zorgt
ervoor dat de wand van de bacterie oplost. Het DNA dat
zich in de kop van de faag bevindt, wordt geïnjecteerd.
De bacterie is geïnfecteerd.
• Lytische cyclus
Gedurende de lytische cyclus wordt het eigen metabolisme van de bacterie lamgelegd. De bacterie wordt
gedwongen om het viraal DNA in vele exemplaren te
repliceren en tot expressie te brengen. Ze synthetiseert
de faagproteïnen van kop en staart. Na de assemblage
van DNA en proteïnen is een groot aantal nieuwe fagen
ontstaan in de bacterie. De hele bacterie-inhoud wordt
opgelost of gelyseerd. De bacteriewand barst open en de
fagen komen vrij.
Lytische en lysogene levenscyclus van de lambdabacteriofaag
lambdabacteriofaag
Escherichia coli
LYSOGENE FASE
▲
LYTISCHE FASE
▲
▲
▲
profaag
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
Afb. 13.9
• Lysogene cyclus
Niet elke aanval van een faag op een bacterie verloopt
op die manier. Soms wordt faag-DNA ingebouwd in het
DNA van de bacterie. Dat ingebouwde, viraal DNA wordt
profaag genoemd. Als de bacterie zich deelt, wordt het
profaag-DNA samen met het bacterieel DNA ontdubbeld. Zo kan het overgaan op de volgende generatie
bacteriën en wordt er genetisch materiaal overgedragen
van een virus naar een bacterie.
Bij één van die nakomelingen kan het viraal DNA zich
weer afzonderen en kan de lytische cyclus opnieuw
gestart worden.
▲
90
THEMA
13
BIOTECHNOLOGIE
BASISSTOF
Als het viraal DNA zich van het bacterieel DNA losmaakt,
kan er een verschuiving plaatsgrijpen waarbij faag-DNA
in het bacterieel genoom achterblijft en bacterieel DNA
naar het viraal genoom overgaat (afbeelding 13.10). Dat
komt neer op een mutatie, zowel van de faag als van de
bacterie. Als de gemuteerde faag later weer profaag
wordt, kan hij het DNA-fragment van de vorige bacterie
inbouwen in een andere bacterie. Dat noemen we
transductie: DNA-overdracht van een bacterie op een
andere via een faag. Een faag kan dus gebruikt worden
als overbrenger of vector van erfelijk materiaal van de
ene bacterie naar de andere.
Afb. 13.10
Afb. 13.11
DNA-virussen
A Hepatitis B-virus
B Herpesvirus
C Papovavirus
D Rhinovirus
E Adenovirus
glycoproteïne
dubbele
lipidenlaag
eiwitmantel
lineair
dubbelstrengDNA
A
Lysogene bacterie zonder (A) en met (B) transductie
A
envelop
glycoproteïne
dubbele
lipidenlaag
B
eiwitmantel
DNA-polymerase
▲
▲
circulair
gedeeltelijk
dubbelstrengDNA
B
▲
▲
eiwitmantel
A
B
2.3.4 Genoverdracht van een virus naar een eukaryote cel
C-D
• DNA-virussen
Op afbeelding 13.11 zijn enkele menselijke DNA-virussen
afgebeeld. Het herpesvirus doet koortsblaasjes ontstaan
rondom de mond of op het mondslijmvlies. Het veroorzaakt gordelroos of zona. Het papovavirus veroorzaakt
allerlei wratten bij de mens. Het adenovirus en het
rhinovirus maken de mens verkouden. Het hepatitis Bvirus is de verwekker van een leverziekte.
De levenscyclus van een DNA-virus verloopt in en ten
koste van dierlijke cellen op nagenoeg dezelfde manier
als de cyclus van de lambda-bacteriofaag in de colibacil.
Zo kan er bij alle DNA-virussen ook DNA-overdracht door
transductie voorkomen. Het viraal genoom kan dus een
vreemd DNA-fragment bevatten dat bij een vorige
infectie uit de gastcel werd meegepikt. Dat kan aan de
basis liggen van het ontstaan van kanker.
circulair
dubbelstrengDNA
eiwitmantel
E
lineair
dubbelstrengDNA
envelop
2.3.3 Genoverdracht van een bacterie naar een andere
bacterie via een virus
91
92
THEMA
13
BIOTECHNOLOGIE
BASISSTOF
• RNA-virussen
Bij andere virussen bestaat het genoom uit RNA.
Bij de gewone RNA-virussen komt er geen DNA voor in
de levenscyclus. De eiwitten bij die virussen worden door
de gastheercel gemaakt door translatie, eventueel via
een complementaire RNA-molecule. De verwekkers van
polio, mazelen, griep, hondsdolheid, tabaksmozaïekziekte
(afbeelding 13.12 A) en het Ebola-virus (afbeelding 13.12 B)
zijn voorbeelden van dergelijke virussen.
Afb. 13.12
De retrovirussen zijn RNA-virussen die wel een DNA-fase
hebben en dus ook aan DNA-overdracht kunnen doen.
De retrovirussen, zoals het HIV-virus, bezitten binnen de
eiwitmantel en de envelop twee RNA-moleculen die elk
een molecule van een DNA-polymerase dragen (afbeelding 13.12 C). Dat enzym is in staat om transcriptie te
bewerken van het genoom-RNA in DNA. Dat noemen we
copy-DNA (cDNA). Het is een reversetranscriptase,
vandaar de naam retrovirus.
RNA-virussen
A Tabaksmozaïekvirus
B Ebola
C HIV-virus
RNA
proteïnen
100 nm
100 nm
A
reversetranscriptase
dubbele
lipidenlaag
RNA-streng
envelop
eiwitmantel
anti-sense
RNA
transcriptasepolymerase-complex
B
glycoproteïne
C
THEMA
13
BIOTECHNOLOGIE
BASISSTOF
Op afbeelding 13.13 wordt de levenscyclus van een retrovirus
voorgesteld.
Als een retrovirus een cel binnendringt (1), wordt zijn
envelop in het plasmamembraan van de gastheercel
geïntegreerd (2). In het cytoplasma valt zijn eiwitmantel
uiteen. Het genoom-RNA ondergaat dan een omgekeerde
transcriptie of reversetranscriptie naar DNA (3) dankzij het
enzym reversetranscriptase dat het virusgenoom begeleidt.
De DNA-kopie of cDNA gaat zich nu in het DNA van de
geïnfecteerde cel integreren (4-5). Het ingebouwde DNA
wordt provirus genoemd, naar analogie met profaag.
Afb. 13.13
Vanuit dat provirus (cDNA) verloopt de levenscyclus van het
retrovirus verder zoals bij de DNA-virussen (zie lambdabacteriofaag). Het provirus blijft vanaf dan integraal deel
uitmaken van het genoom van de geïnfecteerde cel. Als dat
een voorloper is van een geslachtscel, wordt het provirus
aan het nageslacht doorgegeven als een gewoon gen. Zo
bevat elk organisme in zijn genoom een aantal provirussen.
Het provirus kan omgezet worden naar RNA en translatie
ondergaan (6-7). Er worden nieuwe virussen aangemaakt
die de cel verlaten (8).
Ook via retrovirussen is DNA-overdracht door transductie
mogelijk.
Levenscyclus van een retrovirus in een T-helpercel
reverse-transcriptase
RNA-streng
HIV-virus
receptor
1
2
RNA
3
4
5
DNA
6
7
8
T-helpercel
93
13
THEMA
BIOTECHNOLOGIE
BASISSTOF
Kunstmatige
genoverdracht
3
3.1 Kunsmatige genoverdracht tussen bacteriën
Sommige bacteriën kunnen zich tegen aanvallen van
bacteriofagen verdedigen. Als soortvreemd DNA een
bacterie binnendringt, gaan bepaalde enzymen dat DNA
in stukken knippen. Het virus wordt daardoor geïnactiveerd. De ontdekking van dergelijke knip- of restrictieenzymen was heel belangrijk.
Tabel 13.1
De restrictie-enzymen blijken enkel voor te komen bij
prokaryoten en zijn daardoor gemakkelijk te isoleren. Ze
zijn heel specifiek (tabel 13.1). Ze verbreken bindingen
binnen de dubbele DNA-streng ter hoogte van
welbepaalde nucleotidensequenties die een
zogenaamde palindroomstructuur bezitten (afbeelding
13.14) (¬ V 8). Het geknipte fragment bezit twee uiteinden die enkelstrengig zijn. Die uiteinden worden
plakkende uiteinden of sticky-ends genoemd.
Herkenningssequenties voor enkele restrictie-enzymen
Enzym
Bron
Herkenningssequentie
EcoRI
Escherichia coli RY13
G AATTC
BamHI
Bacillus amyloliquefaciens H
G GATCC
HaeIII
Haemophilus aegyptius
GG CC
HindIII
Haemophilus influenzae Rd
A AGCTT
HpaI
Haemophilus parainfluenzae
G TTAAC
HpaII
Haemophilus parainfluenzae
CC GG
MboI
Moraxella bovis
G ATC
NotI
Nocardia otitidis-caviarum
G CGGCCGC
TaqI
Thermus aquaticus
T CGA
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑
Afb. 13.14
↑
94
Specifieke werking van restrictie-enzym uit de colibacil
KNIP
KNIP
G
A
A
T
T
C
G
A
A
T
T
C
C
T
T
A
A
G
C
T
T
A
A
G
DNA
KNIP
A
A
T
T
KNIP
C
G
A
A
T
T
C
G
G
C
T
T
A
A
DNA-fragment met
specifiek gen en
plakkende uiteinden
G
C
T
T
A
A
THEMA
13
BIOTECHNOLOGIE
BASISSTOF
3.2 Plasmiden en de specifieke werking van restrictieenzymen
In 1973 maakten twee Amerikaanse biochemici, Cohen
en Broyer, gebruik van restrictie-enzymen om een
vreemd gen in een bacterie binnen te smokkelen
(afbeelding 13.15).
Via micromanipulatie isoleerden ze, uit een aantal
colibacillen die resistent waren tegen het antibioticum
tetracycline, het plasmide met het gen voor die resistentie. Analoog isoleerden ze uit stafylokokken
(Stafylococcus aureus) die tegen penicilline resistent
waren, het plasmide met het gen voor die resistentie. Ze
mengden beide plasmidegroepen en voegden er een
knipenzym aan toe, waardoor de plasmiden tot
fragmenten verknipt werden. Na toevoeging van DNAligase, een enzym dat voor DNA herstel zorgt, vormden
de fragmenten weer ringvormige plasmiden. Die
‘nieuwe’ plasmiden brachten ze in colibacillen. Een
aantal ervan bleek resistent te zijn tegen beide antibiotica. In die colibacillen werd dus een soortvreemd gen
na transplantatie operationeel.
De ontdekking van de knipenzymen markeert eigenljjk
het begin van de biotechnologie. Het experiment van
Cohen en Broyer ligt aan de basis van de kunstmatige
genoverdracht tussen organismen.
Je kunt dat proces het best vergelijken met het
montageknipwerk van een langspeelfilm: met knip- en
plakwerk worden stukken film verwijderd en op een
andere plaats toegevoegd. Door te knippen en te
plakken kan er heel nauwkeurig een DNA-fragment of
een gen aan een organisme toegevoegd worden of eruit
verwijderd worden. Zo worden bestaande eigenschappen gewijzigd, fouten hersteld of een nieuw kenmerk
aan een organisme gegeven. Aangezien de genetische
code voor alle levende organismen universeel is, kunnen
genen en de daaraan verbonden eigenschappen van de
ene soort naar een andere soort worden overgebracht.
De met DNA geïnfecteerde cellen bezitten meer DNA
en/of genen dan de oorspronkelijke cellen. Ze bezitten
een combinatie van DNA uit twee verschillende
bronnen, recombinant-DNA.
Het overbrengen van genetisch materiaal van een soort
organismen naar een andere soort is in feite ‘genetische
bouwkunde’, een letterlijke vertaling van de Engelse
term genetic engineering. Er zijn heel wat verschillende
namen die dezelfde lading dekken: DNA-technologie,
gentechnologie, recombinant DNA-technologie,
genmanipulatie, genetische manipulatie of genetische
modificatie. Al die termen verwijzen naar hetzelfde: het
gericht wijzigen van de genetische informatie in een
organisme. We spreken van genetisch gemodificeerde
(GGO’S) of transgene organismen.
In de loop der jaren zijn er verschillende technieken
ontwikkeld om nieuw of vreemd DNA in een cel binnen
te brengen (zie 5.3). Op die manier zijn onderzoekers
erin geslaagd om nieuwe eigenschappen aan een
organisme toe te voegen of bestaande kenmerken aan
te passen.
De genexpressie en de regulatiemechanismen voor
genexpressie van prokaryoten en eukaryoten vertonen
grote verschillen. Met die verschillen zal er dus rekening
moeten gehouden worden wanneer genen van een
eukaryoot in een prokaryoot gebracht worden. Een gen
van een prokaryoot dat kunstmatig in het genoom van
een eukaryoot wordt ingebracht, kan slechts tot expressie komen als het regulatiemechanisme dat gen
vergezelt.
Afb. 13.15
Genoverdracht tussen plasmiden: techniek van recombinant-DNA
Stafyllococcus aureus
Escherichia coli
resistent tegen penicilline
resistent tegen tetracycline
penicillineresistent gen
tetracyclineresistent gen
penicillineresistent gen
tetracyclineresistent gen
+ restrictie-enzym
uit E. coli
+ DNA-ligase
stafylokok en colibacil met resistentie tegen penicilline en tetracycline
95
THEMA
13
BIOTECHNOLOGIE
BASISSTOF
Afb. 13.16
4
Productie van insuline door recombinant-DNA-technologie
1
α- keten
Toepassingen
β- keten
4.1 Toepassingen in de geneeskunde
˘
OB
OPDRACHT 13.2 - 13.3
We bespreken hieronder de productie van insuline en
EPO meer in detail.
gen voor
α-keten
gen voor
galactosidase
gen voor
galactosidase
3
4
5
galactosidase
✂
De meeste aandoeningen zijn het gevolg van een
falende productie van specifieke eiwitten waardoor een
tekort aan een bepaald eiwit ontstaat of slechte
eiwitten gevormd worden.
Bij de traditionele productiemethode wordt er getracht
om specifieke eiwitten uit de producerende organen te
extraheren. Hoge productiekosten, contaminatie met
andere stoffen, risico’s tot besmetting met ziekteverwekkers en heel kleine opbrengsten vormen de belangrijkste nadelen van die traditionele productiemethoden.
Dankzij de toepassing van kunstmatige genoverdracht
worden waardevolle eiwitten thans geproduceerd door
cellen in vitro (bacteriën, gist, zoogdiercellen) of door
dieren in vivo.
De keuze van het systeem wordt bepaald door de aard
van de te produceren eiwitten. Vele eiwitten kunnen in
bacteriën worden geproduceerd, maar de meeste
eiwitten die in ons lichaam werkzaam zijn, ondergaan
na de translatie vaak nog wijzigingen, zoals glycosylatie,
lipidatie, acetylatie ... Zonder dergelijke post-translationele wijzigingen zijn die eiwitten vaak onvoldoende of
totaal niet biologisch actief. Door de productie van die
eiwitten via gisten en zoogdiercellen, in plaats van de
isolatie uit zoogdierbloed, wordt het risico op besmetting met ziektekiemen vermeden.
Bij de aanmaak van eiwitten, hormonen (erythropoïetine (EPO), groeihormoon, insuline, interferon en
bloedstollingsfactoren) en talrijke vaccins (tegen rabies,
hepatitis, meningitis, encephalitis) wordt kunstmatige
genoverdracht toegepast.
gen voor
β-keten
2
4.1.1 Productie van waardevolle eiwitten
✂
96
α- keten
β- keten
6
galactosidase
...s..s..
... ..
S ..
S
...
....
....s
..... s
• De productie van insuline door transgene bacteriën en gist
Suikerzieke patiënten of diabetici zijn niet in staat om
het hormoon insuline, een eiwit, aan te maken. Dat
hormoon regelt de opname van glucose in de cellen.
Vóór de ontdekking en zuivering van insuline in 1921
stierven vele diabetici kort na het uitbreken van de
ziekte. Tot voor enkele jaren werd het hormoon
geïsoleerd uit de pancreas van koeien en varkens. De
pancreas van één varken levert echter slechts de dosis
van één week voor één patiënt op, terwijl miljoenen
mensen van het hormoon afhankelijk zijn. Ongeveer 5
op 1 000 Europeanen lijden aan suikerziekte.
Tegenwoordig wordt de menselijke insuline
aangemaakt in genetisch gewijzigde micro-organismen,
zoals bacteriën of gisten. Biotech-insuline is overal ter
wereld te koop en vervangt meer en meer de insuline van
dierlijke oorsprong. Het is nu niet alleen in onuitputtelijke
hoeveelheden voorradig, het voorkomt bovendien het
risico op besmetting met ziekteverwekkers die ook voor
de mens schadelijk kunnen zijn.
Stoffen die door genetisch gewijzigde bacteriën gevormd
worden, noemen we monoklonale stoffen.
Afbeelding 13.16 toont de productie van insuline door
transgene bacteriën. Insuline (51 aminozuren) is
opgebouwd uit een α- en een β-keten (6). Beide ketens
zijn door zwavelbruggen met elkaar verbonden en
vormen zo het werkzame insuline.
THEMA
13
BIOTECHNOLOGIE
BASISSTOF
Het gen voor de α-keten en het gen voor de β-keten
worden met behulp van restrictie-enzymen geïsoleerd uit
menselijk DNA (1). Elk gen wordt in een afzonderlijk
plasmide gebracht en vastgekoppeld aan het gen voor
galactosidase (2). Galactosidase is een enzym dat in
bacteriën lactose afbreekt tot glucose en galactose. De
plasmiden worden in de bacteriën gebracht (3). Als
lactose de enige voedselbron is, gaan de bacteriën zich
vermeerderen en overvloedig het galactosidase-insulinecomplex aanmaken (4). Dat complex wordt uit de
bacteriën geïsoleerd en gezuiverd (5). Het galactosidasedeel wordt verwijderd en de α- en β-ketens worden aan
elkaar gezet (6).
• Productie van erythropoïetine (EPO) in transgene zoogdiercellen
Onze nieren produceren het complexe EPO-hormoon
dat wordt vrijgegeven in het bloed. EPO stimuleert de
vorming en ontwikkeling van rode bloedcellen. Mensen
met slecht werkende nieren, o.a. kankerpatiënten die
chemotherapie krijgen, maken vaak onvoldoende EPO
Afb. 13.17
Chemische structuur van epo
aan en hebben daardoor te weinig rode bloedcellen. Ze
kunnen weinig zuurstofgas opnemen en voelen zich
zwak en moe. Aangezien in normale omstandigheden
de EPO-concentraties in bloed en nieren uiterst laag
zijn, was het tot nu toe onmogelijk EPO daaruit te
isoleren. De patiënten werden behandeld met
bloedtransfusies rijk aan rode bloedlichaampjes. Die
transfusies hebben maar een tijdelijk effect en bevatten
het risico op besmetting met virussen, zoals het HIVvirus en het hepatitis B-virus.
Het 165 aminozuren tellende eiwit EPO bezit in natuurlijke omstandigheden vier ingewikkelde suikerstaarten
(afbeelding 13.17). Die ingewikkelde glycosylatie kan noch
in bacteriën noch in gistcellen worden uitgevoerd.
De genetische gewijzigde ovariumcellen van de Chinese
hamster kunnen echter wel voldoende en biologisch
actief epo produceren. Het lichaamsvreemde EPO
bestaat in twee vormen. De epoëtinevorm verschilt
slechts van het natuurlijke EPO in de samenstelling van
de vier suikerketens. De Darb-epoëtine vorm (merknaam
Aranesp) heeft een suikerketen meer aan de aminozuurketen hangen.
4.1.2 Gentherapie
Het niet of slecht functioneren van eiwitten in ons
lichaam is het rechtstreekse gevolg van ontbrekende of
defecte (gemuteerde) genen. We zouden een dergelijke
aandoening kunnen bestrijden door het gen coderend
voor het functionerende eiwit in de cel van de patiënt
binnen te brengen. Een dergelijke behandelingswijze
noemen we gentherapie.
Gentherapie kan worden uitgevoerd in de lichaamscellen waarbij het foute gen en dus de ziekte alleen wordt
hersteld in de patiënt zelf. We spreken van een
therapeutisch effect of genotypisch geneesmiddel. Het
gebruik van stamcellen zou in dat geval wel een
langetermijneffect van gentherapie kunnen bewerken
(¬ V 9). Door wijzigingen aan te brengen in het
genetisch materiaal van de gameten kunnen de correcties ook worden doorgegeven aan het nageslacht.
Het ingebrachte gen kan een juiste versie van het foute
gen zijn, maar kan ook een nieuw gen zijn dat een
corrigerende rol vervult (afbeelding 13.18). In andere
gevallen is het mogelijk om supressorgenen en regulatiegenen in te brengen die andere genen blokkeren.
Daardoor kunnen de cellulaire en virale activiteit
worden geblokkeerd. Die techniek zou het mogelijk
maken om de ontwikkeling van tumoren af te remmen.
Suikers die aan het eiwit EPO hangen
Voor tal van monogenetische deficiëntieziekten zou
gentherapie een oplossing kunnen zijn. We bespreken
enkele voorbeelden.
97
98
THEMA
13
BIOTECHNOLOGIE
BASISSTOF
• Behandeling van mucoviscidose
Een virus, in dit geval het adenovirus dat verkoudheden
veroorzaakt, wordt genetisch gemanipuleerd waarbij het
zijn ziekteverwekkende eigenschappen verliest en drager
wordt van het gezonde mucogen. Zo’n virus noemen we
een vector. Liposomen (afbeelding 13.28) en naakte
plasmiden kunnen ook als vectoren gebruikt worden.
Door de vectoren via een verstuiver of een aërosol in te
ademen wordt de vector in de buurt van de gepaste
doelcellen gebracht. Een deel van de vectoren wordt
opgenomen en kan zo het goede gen binnenbrengen in
de doelcellen.
• Productie van ADA bij de mens
Een defect in het gen voor het enzym adenosinedeaminase (ADA) veroorzaakt het congenitaal immuniteitsdeficiëntiesyndroom (CIDS). Doordat ADA niet
functioneert, vormt de patiënt geen witte bloedcellen.
De immunologische afweer faalt en de patiënt valt ten
prooi aan allerlei infecties waaraan hij zonder behandeling overlijdt. Beenmergtransplantatie biedt in dat geval
Afb. 13.18
Transductiemogelijkheden
A Genadditie
B Genvervanging
C Gencontrole
een oplossing, maar kan echter vaak, door het ontbreken
van een geschikte donor, niet toegepast worden. Een
genezing zou dus mogelijk zijn als de beenmergcellen
van de patiënt zelf van een correcte versie van het ADAgen kunnen worden voorzien.
Afbeelding 13.19 geeft de werkwijze voor die therapie weer.
Het gen kan in beenmergcellen van een ziek kind
worden gegrift door retrovirale deeltjes. In retrovirussen
wordt een deel van het RNA-genoom vervangen door
het RNA-transcript van het gen voor ADA. Geïsoleerde
beenmergcellen van het zieke kind worden in vitro
geïnfecteerd. De geïnfecteerde cellen kunnen het ADAgen als provirus in hun genoom opnemen. Als die cellen
voorzien zijn van de geschikte promotor, kan het gen tot
expressie komen. De beenmergcellen kunnen dan weer
bij het kind geïnjecteerd worden.
Tot 1991 gaf die ingreep slechts beperkte positieve
resultaten. De eerste geslaagde gentherapie waarmee
W. French Anderson en collega’s van het National
Institute of Health (Washington) in 1990 een CIDSpatiëntje behandelden, berustte niet op het genetisch
veranderen van de beenmergcellen van de patiënt, maar
wel op gentherapie op witte bloedcellen.
Afb. 13.19
mens
Werkplan voor integratie van een ontbrekend gen bij de
injectie van
beenmergcellen
met ADA-gen
punctie van
beenmergcellen
(stamcellen) zonder
ADA-gen
defect gen
correct gen
cDNA
A
PROVIRUS
infectie van
beenmergcel met
mRNA van ADA-gen
B
RETROVIRUS
regulatiegen
C
recombinant
retrovirus met
ADA-gen
THEMA
13
BIOTECHNOLOGIE
BASISSTOF
Aangezien witte bloedcellen de lange levensduur van
beenmergcellen niet hebben, is die gentherapie geen
eenmalige behandeling. Een regelmatige herhaling van
de therapie is noodzakelijk. In 2002 werd de therapie in
Israël met succes toegepast op een baby van zeven
maanden oud.
In theorie kan gentherapie alle ziekten genezen die door
slecht functionerende eiwitten (genen) worden veroorzaakt. De laatste jaren zijn er veel patiënten met
gentherapie behandeld. Er moeten echter nog vele
hindernissen worden overwonnen vooraleer patiënten,
die lijden aan een erfelijke aandoening, met gentherapie kunnen worden genezen. Het huidige onderzoek
houdt zich vooral bezig met het optimaliseren van de
gentransfer en de genexpressie. Slechts 1 % van de
behandelde cellen blijkt het doelgen te bevatten.
Bovendien komt bij amper de helft daarvan het gen ook
tot expressie.
Afb. 13.20
Jeff Schell en Marc Van Montagu
Afb. 13.21
Integratie van een soortvreemd gen in een plant
4.2 Toepassingen in land- en tuinbouw
˘
OPDRACHT 13.4
Onze huidige gewassen (maïs, graan, tomaten ...) zijn
niet te vergelijken met hun voorgangers van pakweg
honderd jaar geleden. Honderden jaren van veredeling
hebben immers geleid tot uniforme landbouwgewassen
met een heel grote opbrengst. In het verleden verliep
het veredelen van gewassen vrij empirisch. Generaties
lang kruisen heeft uiteindelijk geleid tot een aantal
gewenste eigenschappen bij bepaalde plantensoorten.
Vaak zijn die echter vergezeld van niet gewenste
eigenschappen (afbeelding 13.1). Tegenwoordig worden
nieuwe eigenschappen door genetische transformatie
heel gericht in een gewas gebracht.
De eerste transgene planten werden ontwikkeld in 1985
door Marc Van Montagu en Jeff Schell (afbeelding 13.20)
aan de Universiteit Gent. Sinds enkele jaren worden
transgene gewassen in de VS, Canada en Argentinië op
commerciële schaal geteeld.
Kleurverandering, insectresistentie, herbicidetolerantie,
langere houdbaarheid, grotere vruchten, meerdere
vruchten per plant, kleinere en stevigere planten, kant-enklare producten zijn voorbeelden van interessante
planteneigenschappen die door transductie kunnen
worden beïnvloed. We maken een selectie uit de vele
voorbeelden.
2
gen voor
Bt-insecticide
1
OB
3
4
E. coli
Agrobacterium
tumefaciens
plantencel
zonder celwand
Ti-plasmide
gen voor Btinsecticide
7
6
plant giftig
voor insecten
5
99
100
THEMA
13
BIOTECHNOLOGIE
BASISSTOF
4.2.1 Transgene planten die zelf insecticiden maken
Een insecticide dat al jaren in de biologische landbouw
wordt gebruikt om de vraatlust van kevers en rupsen
tegen te gaan is een endotoxine uit Bacillus thuringiensis (Bt-toxine). Het endotoxine is voor de mens niet giftig
en wordt bovendien snel afgebroken in de bodem.
Zoals eerder al beschreven kan de agrobacterie
(Agrobacterium tumefaciens) genen van zijn Ti-plasmide
overdragen naar planten.
Van Montagu en Schell zijn erin geslaagd om het gen
dat voor het Bt-insecticide codeert naar de tabaksplant
over te dragen. Afbeelding 13.21 toont hoe de integratie
van een vreemd gen in een plant gebeurt.
Eerst wordt het gen voor het Bt-insecticide in een
colibacil (1) gekloond. Daarna wordt door recombinantDNA-technologie een Ti-plasmide samengesteld (2).
Het gewijzigde Ti-plasmide wordt overgebracht in een
agrobacterie (3). De gewijzigde agrobacterie infecteert
vervolgens de protoplasten (naakte plantencellen
zonder celwand) van tabaksplanten (4). De agrobacterie
draagt het T-DNA over aan de tabaksplant die het in zijn
genoom opneemt (5). De plantencellen worden
opgekweekt (6) en de volwassen tabaksplant brengt het
gen tot expressie (7) en blijkt insectenresistent te zijn.
Rupsen die van de nakomelingen van die planten eten,
sterven ook. De plant geeft het gen dus door aan de
nakomelingen.
De techniek wordt wereldwijd gebruikt. Zo is maïs nu
resistent tegen de stengelboorder, katoen tegen bolwormen en is de aardappel bestand tegen de beruchte
coloradokever.
Door die ingebouwde bescherming zijn minder onkruiden insectenverdelgers nodig. Sinds 1996 wordt op
testvelden en in onafhankelijke studies gemeten welke
de effectieve invloeden zijn op het verbruik van
chemische stoffen. Zo bleek in 1998 op de velden met
insectenresistent katoen de laagste hoeveelheid
chemische insectenverdelger te zijn gebruikt sinds 40
jaar. Het gebruik van de insectenresistente aardappelen
reduceerde het gebruik van chemische insecticiden met
meer dan 40 %.
Normaal wordt een veld met katoen drie tot vier keer
bespoten met insecticide. Bij het gebruik van het
genetisch gewijzigde, insectenresistente katoen wordt
helemaal niet of in enkele gevallen slechts eenmaal
gespoten. Dat betekent voor de landbouwer minder
werk en minder kosten.
4.2.2 Transgene planten die resistent zijn tegen onkruidverdelgers
Genetische transformatie wordt ook gebruikt om planten
resistent te maken tegen welbepaalde herbiciden.
Sommige variëteiten van soja, koolzaad en maïs
bezitten een herbicidentolerantiegen. Het meest
gekende voorbeeld is de resistentie tegen het herbicide
Roundup. Glyfosaat, de actieve component in het
herbicide, blokkeert de werking van een enzym dat
noodzakelijk is bij de opbouw van chloroplasten in
plantencellen. Dat betekent dat de aanmaak van
bladgroen stopt, de plant bruin kleurt, de fotosynthese
stilvalt en de plant afsterft.
Transgene tabak, soja, tomaten, aardappelen, rapen,
kolen, maïs en bieten zijn resistent tegen dat herbicide.
Het herbicide kan volop gebruikt worden om het
onkruid te verdelgen terwijl de groei van de gewassen
niet verstoord wordt. Voor de herbicidentolerante
gewassen is ook een verminderd verbruik van
chemische onkruidverdelgers meetbaar, variërend
tussen 9 en 30 %, afhankelijk van de locatie, het klimaat
en de manier van planten.
Naast die milieuvoordelen is het gebruik van herbicidentolerante gewassen voor de Amerikaanse en
Canadese landbouwers ook kostenbesparend.
4.2.3 Transgene planten met specifieke kwaliteiten
De genetische modificatie of gentechnologie laat toe
doelgericht te werken en aan het organisme genen toe
te voegen die de aanmaak van specifieke enzymen en
andere eiwitten regelen. Op die manier kunnen aan
planten specifieke eigenschappen toegevoegd worden.
We bespreken enkele voorbeelden.
• De eerste genetisch gewijzigde groenten die op de
markt kwamen, waren tomaten met een vertraagd
rijpingsproces.
Gewone tomaten worden groen geplukt zodat er
tijdens het vervoer geen kneuzingen of rotte plekken
ontstaan. De toevoeging van een anti-sense-mRNA
maakt dat de genetisch gewijzigde ‘Flavr Savr’(TM)tomaten’ langer aan de plant kunnen rijpen,
waardoor er meer smaakstoffen door de tomaten
worden aangemaakt. Doordat de transgene tomaten
minder snel zacht worden, is het gevaar voor kneuzingen, zelfs bij rijpere tomaten, gering.
In de toekomst wordt getracht om ook de houdbaarheid van andere planten te verhogen.
• Er zijn talrijke voorbeelden waar gentechnologie aan
de basis ligt van opbrengstverhoging en kwaliteitsverbetering bij planten.
- Uitdroging, koude, UV-straling, schimmelinfecties ...
vormen voor sommige planten stressfactoren die in
belangrijke mate hun productiviteit beïnvloeden. Die
omstandigheden zorgen er vaak voor dat de plant
niet normaal kan ontwikkelen en vaak afsterft. Door
de moderne gentechnologie zijn er nu planten die
minder ziektegevoelig zijn en beter bestand zijn
tegen ongunstige weersomstandigheden en
virussen.
Sommige planten bezitten ‘vernuftige’ genen (bv.
voor de ontwikkeling van een dikkere celwand) die
hen beschermen tegen extreme omgevingsfactoren.
Genetische manipulatie laat toe de genen, die de
stresstolerantie bepalen, te identificeren, te isoleren
en over te brengen naar andere gewassen.
THEMA
13
BIOTECHNOLOGIE
BASISSTOF
- Met behulp van DNA-technieken kunnen transgene
planten ontwikkeld worden die geen mannelijke
gameten meer vormen. Op die manier kan
ongewenste voortplanting worden tegengegaan.
- Genen voor bloemkleuren kunnen tussen verschillende soorten worden uitgewisseld en vormen een
belangrijke economische troef. Blauwe anjers, paarse
rozen en paarse tulpen sieren onze markten. Zo
vormt de productie van blauw katoen en kant-enklare blue jeans een economische winst (geen
kleurstoffen, geen energieverslindende verfprocedures) en een sterke afname van de milieuvervuiling.
- Het verhogen van de houdbaarheid van snijbloemen,
door de aanmaak van verwelkingsenzymen lam te
leggen, komt dan weer de consument ten goede.
• Andere planten bezitten dan weer specifieke
eigenschappen die een invloed hebben op de gezondheid van de consument.
- Het onderzoek in dat domein concentreert zich vooral
op de voedingsgewassen die wijdverspreid zijn, zoals
aardappelen, maïs, rijst, maniok ... De mens is altijd op
zoek naar voedingsmiddelen met een grotere en
betere voedingswaarde. Zo bestaan er aardappelen
met meer zetmeel en minder water. Daardoor nemen
ze minder vet op bij het bakken en frituren. Dat kan
dan in de westerse wereld bijdragen tot het
voorkomen van hart- en vaatziekten.
- Aardappelen met een betere zetmeelkwaliteit en
zoetere aardappelen bezitten dan weer een grotere
voedingswaarde.
- Rijst is in grote delen van de wereld zowat de enige
voedselbron, maar in rijst ontbreekt vitamine A. Het
eenzijdige rijstdieet maakt dat miljoenen kinderen
een verminderde weerstand hebben en blind
worden. De transgene productie van ‘Golden Rice’
biedt voor miljoenen mensen een oplossing.
- Gewassen, zoals soja en koolzaad die vooral geteeld
worden voor de olieopbrengst, zijn genetisch
gemanipuleerd waardoor ze meer onverzadigde dan
verzadigde vetten bevatten. De consumptie van die
olie kan een rol spelen in het voorkomen van harten vaataandoeningen.
- Transgene vruchten bevatten een extra gen voor een
enzym dat de pitjes vernietigt en vruchten zonder
pitjes levert. Dat biedt een belangrijk voordeel bij de
verdere verwerking van de vruchten.
- Uit tests blijkt dat planten een belangrijk alternatief
systeem kunnen vormen voor de productie van
therapeutische eiwitten, zoals vaccins. Het vaccin
tegen bacteriële diarree is daar een voorbeeld van.
Momenteel wordt de aanmaak onderzocht van
vaccins in bananen en aardappelen die rauw
kunnen worden gegeten en op vele plaatsen in de
wereld worden geteeld. De ontwikkeling van orale
vaccins kan het uitvoeren van universele vaccinatieprogramma’s gemakkelijker maken.
Wat zal de toekomst brengen: transgene appels die
ons gebit beschermen, cafeïnearme koffie met smaak,
vierkante en beter stapelbare tomaten ...?
4.3 Toepassingen ten voordele van het milieu
De kwaliteit van ons leven op aarde is nauw verbonden
met de kwaliteit van ons milieu. Er wordt meer en meer
belang gehecht aan nieuwe manieren om het milieu te
beschermen en te beheren. Conferenties over de
opwarming van de aarde, de vervuiling van de zeeën en
de Kyoto-normen getuigen daarvan. De biotechnologie
speelt zeker een rol in het ontwikkelen van alternatieven
om het milieu beter te beschermen.
- Biotechnologen ontdekten bacteriestammen die de
biodegradatie van ruwe olie kunnen bewerken. In
amper zeven dagen tijd kunnen die bacteriën giftige,
onvertakte koolwaterstoffen voor 99,6 % afbreken. Die
ontdekking zal zeker toepassingen kennen in de
toekomst.
- Andere gemodificeerde bacteriën kunnen kwik
opsporen en opnemen. Het kwik kan dan vervolgens
worden vrijgezet tijdens verbranding op heel hoge
temperatuur. Zo kan dat zware en voor de mens
gevaarlijk metaal uit de bodem worden verwijderd en
worden gerecycleerd.
- Onderzoek toonde aan dat de bacterie Desulfovibrio
radioactief uranium uit bodemwater en uit de bodem
kan opnemen. Het overbrengen van die genen naar
bomen met een uitgebreid en diep wortelstelsel zou
kunnen leiden tot een efficiënte en uitgebreide
opruimmachine.
- De meeste plastics worden via chemische processen
gesynthetiseerd. Polyhydroxyalkaanzuren (PHA) zijn
biodegradeerbare polyesters die geproduceerd worden
door bacteriën. De plastics zijn niet toxisch en onoplosbaar in water. Sommige ervan worden al aangewend in
de geneeskunde en de landbouw, voor de productie
van plastic flessen en biodegradeerbaar verpakkingsmateriaal. De productie van die biodegradeerbare
plastics gebeurt door bacteriën in grote fermentoren,
maar is echter veel duurder dan de productie van de in
bulk geproduceerde, synthetische plastics.
Het is een concurrentieslag die biodegradeerbare
plastics niet zullen winnen, tenzij een goedkopere
productiemethode wordt ontwikkeld. De productie
van PHA’s door planten vormt een goedkoper alternatief. De drie genen die coderen voor de eiwitten,
betrokken in het biosyntheseproces van PHA, kunnen
met succes in planten (o.a. maïs) worden ingeplant.
De volgende ontwikkelingsstap, de milieuvriendelijke
extractie van het plastic uit de plant, bleek geen
sinecure. Onderzoekers zijn er echter in geslaagd om
het plastic op een relatief eenvoudige en milieuvriendelijke manier te extraheren. Ze voorspellen dat het
biodegradeerbare plastic tegen dezelfde prijs zal
kunnen worden geproduceerd als de synthetische
polymeren. De commerciële productie van PHA’s in
planten is dus vermoedelijk een kwestie van tijd.
101
102
13
THEMA
BIOTECHNOLOGIE
BASISSTOF
Enkele waardevolle
technieken
5
5.1 Klonen
5.1.1 Omschrijving
Klonen is een natuurlijk fenomeen (thema 9). De individuen, ontstaan uit niet-gespecialiseerde cellen die zich
enkel door mitose delen, vormen een kloon. Ze zijn
identiek aan het moederorganisme.
Ook bacteriën kunnen zich vermenigvuldigen via
celdeling. Het DNA verdubbelt en de celinhoud van de
moederbacterie wordt verdeeld over twee identieke
dochtercellen. Elke bacterie die op die manier ontstaat,
is een kloon van de oorspronkelijke bacterie.
5.1.2 Klonen bij mensen en dieren
- Het klonen van lichaamscellen van organismen laat
toe om individuen met interessante genetische
kenmerken te vermenigvuldigen. Klonen bij mensen
en dieren kan echter niet op dezelfde eenvoudige
manier gebeuren als bij planten.
Toch zijn klonen ook daar een natuurlijk fenomeen. Zo
vormen eeneiige tweelingen een natuurlijke kloon.
Dierlijke of menselijke klonen kunnen ontstaan door
het embryo in een vroeg stadium te splitsen,
waardoor er meerdere identieke embryo’s ontstaan
(embryosplitsing) (afbeelding 13.22).
- Het klonen uit lichaamscellen van volwassen dieren is
gebaseerd op celkerntransplantatie. Vaak wordt er
een onderscheid gemaakt tussen therapeutisch
klonen (niet-reproductief klonen) en reproductief
klonen.
Bij reproductief klonen wordt de celkern van gedifferentieerde cellen gebruikt. Op afbeelding 13.23 kunnen
we het verloop van dat proces volgen.
Afb. 13.22
De volwassen gedifferentieerde cellen (donorcellen)
worden uit een dierlijk orgaan genomen. In het geval
van Dolly waren dat cellen uit de uier van een schaap.
Na isolatie worden ze in cultuur gebracht. Enkele
dagen voor de fusie worden ze getransfereerd naar
een cultuurmedium dat arm is aan voedingsstoffen.
Daardoor daalt de metabolische activiteit en worden
de cellen in een rustfase gebracht. Na dat dieet
worden de kernen (2n) overgebracht naar een kernloze
cel. Dat is een bevruchte eicel of een heel jong embryo,
in het eencellige stadium (zygote), waarvan de kern
werd verwijderd. Dat wordt gerealiseerd door beide
cellen dicht bij elkaar te plaatsen. Een elektrische
schok zorgt dan voor de fusie van beide cellen en
stimuleert de metabolische activiteit in de gefuseerde
cellen. Zo kan zich een individu ontwikkelen, net als bij
de fusie van een eicel en een zaadcel. Die cellen
worden ingeplant bij een draagmoeder. In februari
1997 maakten onderzoekers van het Schotse Roselin
Institute bekend dat ze op basis van die techniek een
kloon hadden gemaakt van een volwassen schaap.
Dolly werd ‘geschapen’ uit een uiercel van een zeven
jaar oud schaap.
- Therapeutisch klonen betekent het gebruiken van de
techniek van celkerntransplantatie om cellen en
weefsels te maken die therapeutisch (ter genezing van)
zullen gebruikt worden. De ingeplante cellen bezitten
hetzelfde erfelijk materiaal als die van de patiënt zodat
er dus geen afstoting zal plaatsvinden.
Door het tekort aan hersendode en hartdode patiënten
is er een schrijnend tekort aan donoren voor verschillende organen. Patiënten die een orgaantransplantatie
nodig hebben, komen vaak op lange wachtlijsten te
staan en sterven soms vooraleer een geschikte donor
wordt gevonden. Geneesheren en vorsers kijken
machteloos toe en trachten alternatieve therapieën te
ontwikkelen om die patiënten te helpen. Het klonen
van weefsels en organen kan een oplossing bieden.
Embryosplitsing
eicel
zygote
celdelingen
versmelting
natuurlijke of
kunstmatige
splitsing in twee
delen
De twee delen ontwikkelen
zich tot een volwassen
individu.
THEMA
13
BIOTECHNOLOGIE
BASISSTOF
In brandwondencentra wordt al enige tijd gebruik
gemaakt van kloontechnieken om huidcellen te
kweken om zwaarverbrande patiënten van een eigen
nieuwe huid te voorzien.
Tegenwoordig worden ook nieuwe stukken kraakbeen
en been gekweekt in het laboratorium. Recente
onderzoeken bieden trouwens veelbelovende resultaten voor het kweken van hele organen en ruggenmerg. Zo kreeg een Amerikaanse jongen, geboren
zonder borstbeen, een normale borstkas die in het
laboratorium gekweekt werd. Enkele kraakbeencellen
werden geënt op een biodegradeerbare mal in de
vorm van het ontbrekende been. Na enkele weken
werd het geheel ingeplant en groeide het uit tot een
normale borstkas.
Afb. 13.23
Een recente wetenschappelijke studie toonde aan dat
ook menselijke embryonale stamcellen kunnen
worden gekweekt (¬ V 9). Embryonale stamcellen
hebben nog geen specifieke eigenschappen. De cellen
kunnen differentiëren tot verschillende celtypes. Ze
kunnen dus nog een spiercel, een niercel, een levercel
... worden. Op die manier hoeft er niet meer vertrokken
te worden van bestaand orgaanweefsel, maar kan het
gewenste weefsel in het laboratorium gekweekt
worden. Op termijn zouden mogelijk ook volledige
organen in het laboratorium kunnen worden
gekweekt.
Dolly
cellulaire
moeder
genetische
moeder
melkklierweefsel
uit uier nemen
chirurgisch winnen
van eicellen
kweek van
melkkliercellen
celkern
vijf dagen voedselarmoede
zet de celcyclus stil
celkern
verwijderen
melkkliercel in rust
eicel elektrisch
activeren
beide cellen met
elkaar in contact
brengen
cellen smelten samen
in elektrisch veld
draagmoeder
Na vijf maanden
draagtijd wordt
Dolly geboren.
eicel groeit uit tot een embryo
implantatie in de
baarmoeder van
een draagmoeder
DOLLY
103