Wat is biotechnologie?

een
2
kijk op biotechnologie
Wat is
biotechnologie?
Een inforeeks van
een
kijk op
Wat is biotechnologie?
VIB is een non-profit onderzoeksinstituut in de levenswetenschappen. Zo'n 1100 wetenschappers en technici verrichten
basisonderzoek naar de moleculaire mechanismen die instaan
voor de werking van het menselijk lichaam, planten en microorganismen. Door een hecht partnerschap met vier Vlaamse
universiteiten - UGent, K.U.Leuven, Universiteit Antwerpen en
Vrije Universiteit Brussel - en een stevig investeringsprogramma
bundelt VIB de krachten van 65 onderzoeksgroepen in één
instituut. Hun onderzoek heeft tot doel de grenzen van onze kennis
fundamenteel te verleggen. Met zijn technologie transfer
activiteiten beoogt VIB de omzetting van onderzoeksresultaten
in producten ten dienste van de consument en de patiënt. VIB
ontwikkelt en verspreidt een breed gamma aan wetenschappelijk
onderbouwde informatie over alle aspecten van de biotechnologie.
Meer info op www.vib.be.
www.vib.be • [email protected]
2008, 4de druk, herziene uitgave.
2
een
kijk op
Wat is biotechnologie?
Biotechnologie en zijn toepassingen
In de laatste kwarteeuw is de aandacht en interesse
van media, groot publiek en politiek voor
biotechnologie enkel gegroeid. Vanzelfsprekend,
denk je. De biotechnologie is namelijk in een
buitengewone stroomversnelling geraakt, boekt
met rasse schreden vooruitgang en wekt als vanzelf
nieuwsgierigheid op. De oude en nieuwe ethische
controverses waarop de aandacht vaak is gefocust,
worden door die snelle ontwikkeling wellicht ook
nijpender. Toch is dat maar het halve verhaal. Een
voorname reden waarom het publieke oog zich
meer op biotechnologie richt, is de vaak onzichtbare,
maar zeer concrete en onophoudelijke weerslag van
haar toepassingen op ons dagelijkse leven.
3
een
kijk op
Wat is biotechnologie?
Wat is biotechnologie?
Een definitie
Biotechnologie is de studie en het gebruik van levende
organismen, of delen ervan, om planten of dieren aan
te passen, micro-organismen voor specifieke doeleinden te ontwikkelen en zelfs producten te maken
of te wijzigen.
De klassieke biotechnologie was vooral begaan met
de traditionele technieken om dieren en planten te
kweken, en het gebruik van bacteriën, gisten en
schimmels voor de productie van brood, bier, wijn
en kaas.
De moderne biotechnologie duwt deze technieken een
eind verder: ze past de eigenschappen van bacteriën,
planten en dieren aan door rechtstreeks in te grijpen
op het DNA, de code van alle erfelijke informatie.
Welke toepassingen?
De mogelijkheden van de biotechnologie lijken
onbeperkt. Het aantal concrete toepassingsdomeinen
en -producten groeit met de dag. Enkele voorbeelden:
• In de geneeskunde: nieuwe medicijnen en vaccins,
betere methoden om ziekten en ziekteverwekkers
op te sporen.
• In de ecologie: technieken om het milieu beter
te begrijpen, te beheren, te beschermen en te
herstellen; efficiëntere productie van hernieuwbare
energie, zoals bijvoorbeeld bio-ethanol.
• In de landbouw- en de voedingssector: gewassen die
beschermd zijn tegen insecten en ziekten, of tegen
extreme omstandigheden als kou en droogte.
4
De mogelijkheden lijken onbeperkt, vertelden we net. Maar is
dat wel zo? Bacteriën, planten en dieren. Medicijnen, energieën,
gewassen. Ligt de grens dan bij de mens? Of zullen we binnenkort
menselijke organen en zelfs individuen klonen? Zullen we
de erfelijke eigenschappen van de mens kunnen wijzigen? Komt
er ooit misschien een ras van supermensen? Toekomstmuziek,
zegt u. En is het ondertussen koffiedikkijken?
Een kijk op biotechnologie
Voor de meesten van ons blijft de biotechnologie een nieuw
gegeven. We horen erover op televisie, lezen erover in de krant.
Soms is het nieuws wat alarmerend, blijkt de juiste toedracht
niet altijd even duidelijk. Het lijkt dus erg belangrijk om er meer
over te weten, om voorbereid te zijn op de vragen die de
technologie onvermijdelijk oproept en zal blijven oproepen.
Biotechnologie zal het middelpunt worden van een lang en
breed maatschappelijk debat. Met de inforeeks 'een kijk op ...',
wil VIB anticiperen op en bijdragen tot dat debat door
toegankelijke, onderbouwde en genuanceerde informatie aan
te bieden.
In deze tweede brochure start het eigenlijke verhaal opnieuw:
bij de b van begin, basis en biotechnologie, bij de c van cel en
de d van DNA...
5
een
kijk op
Wat is biotechnologie?
De structuur van het
leven
De cel als bouwsteen
Cellen zijn de essentiële bouwstenen van het leven.
Ze liggen aan de basis van alles wat we denken
en doen. Want alles wat leeft, bestaat uit cellen:
wijzelf, de dieren en planten rondom ons. Sommige
organismen, zoals bacteriën, bestaan slechts uit
één cel. Maar wij mensen hebben er wel meer
dan tienduizend miljard (10 000 000 000 000)
in ons steken, bijna evenveel als er hemellichamen
zijn in het heelal...
Onze cellen zijn verspreid over weefsels en organen
waarin elke cel een specifieke functie uitoefent. Cellen in
je maag helpen bij de vertering, cellen in je hart zorgen
voor de bloedcirculatie en dankzij de cellen in je spierweefsel
kun je bewegen.
In en rond cellen zorgen eiwitten voor zowat alle levensprocessen en -activiteiten. Ons lichaam moet dus een groot
aantal verschillende eiwitten produceren. Wanneer je bijvoorbeeld in je vinger snijdt, moet de juiste hoeveelheid
van de nodige eiwitten het bloed onmiddellijk doen stollen en
de wonde sluiten - anders wordt een wondje meteen fataal.
Cellen staan in voor de aanmaak van eiwitten. Maar hoe
weten ze wanneer ze welk eiwit moeten produceren? Die
informatie halen cellen uit het DNA (DeoxyriboNucleicAcid)
onder de vorm van een code, zeg maar een uniek recept voor
elk eiwit. En het DNA vind je in elke cel terug.
6
cel
celkern met chromosomen
Niet alleen de werking van
ons lichaam, maar ook die
van onze geest - waarneming,
besef, intelligentie, gedrag wordt gedeeltelijk erfelijk
bepaald.
Onze cellen kopiëren DNA
Een meercellig organisme zoals de mens ontstaat uit
één cel: een bevruchte eicel. Uit die eenling ontstaat
finaal een organisme van miljarden cellen. Het proces
is er een van opeenvolgende celdelingen. Bij een
celdeling verdeelt één cel zich in twee identieke
dochtercellen, een fenomeen dat zich herhaalt en
herhaalt en herhaalt en....
Net vóór elke celdeling wordt het DNA verdubbeld,
zodat elke 'dochtercel' hetzelfde genetische materiaal
heeft als de oorspronkelijke 'moedercel'.
Het kopiëren in de praktijk
DNA is opgebouwd als een dubbele helix: 2 strengen
die rond elkaar zijn gewonden als als twee in elkaar
geschroefde kurkentrekkers. Bij de verdubbeling
van DNA gaan de twee strengen uit elkaar. Elke
streng wordt gekopieerd door speciale eiwitten die
een keurig duplicaat van de code maken, met exact
dezelfde opeenvolging van bouwstenen. Vervolgens
winden de oorspronkelijke streng en de kopie zich
om elkaar en vormen ze samen een nieuwe dubbele
helix. De cel heeft nu dus twee dubbele helixen en is
klaar voor deling. De twee dochtercellen krijgen elk
één dubbele helix.
DNA KOPIËREN (REPLICATIE)
7
een
kijk op
Wat is biotechnologie?
DNA
DNA bevat de erfelijke informatie die ouders
doorgeven aan hun kinderen. Een cel bezit DNA met
de informatie voor de aanmaak van alle eiwitten die
een organisme nodig heeft.
Elke cel heeft één kern waarin zich het DNA bevindt,
opgerold onder de vorm van chromosomen. Een
mens heeft 46 chromosomen in elk van zijn cellen.
Het DNA bestaat op zijn beurt uit bouwstenen, de
nucleotiden. Vier verschillende, om precies te zijn:
adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T).
De bouwstenen volgen elkaar in een unieke volgorde
op en vormen een ketting - vergelijk ze met letters
die samen een (heel lang) woord vormen. Een
voorbeeld van zo'n codewoord:
...GAAGAGGACTTACCGGACAAG
Een DNA-code die instaat voor de aanmaak van
één eiwit is een gen. Elke mens heeft ongeveer 25 000
genen, die de codes bevatten voor verschillende
eiwitten. Deze eiwitten staan in voor alle belangrijke
functies en kenmerken binnen een organisme.
8
Enkele termen verder uitgelegd...
Eiwitten
Molecules die actief zijn in de vele biologische processen.
C
…
Aminozuur
Bouwsteen van een eiwit. Er bestaan 20 verschillende aminozuren.
…
A
G
G
A
C
T
TA
Gen
Een DNA-code met het recept voor één bepaald eiwit.
Nucleotide
Bouwsteen van DNA.
In DNA vind je vier verschillende nucleotiden terug.
GT…
Chromosoom
DNA - dat bestaat uit duizenden genen - compact opgerold
in de celkern.
DNA-weetjes
Iedere menselijke celkern bevat 2 meter DNA. De kern van een cel is
200 keer kleiner dan een peperbolletje. Met het DNA uit alle cellen
van een mens kan men 500 keer naar de zon en terug
•
•
•
•
Een mens heeft 46 chromosomen
Een kip heeft 78 chromosomen
Een koe heeft 60 chromosomen
Een bij heeft 16 chromosomen
GAAGAGG
ACTTACCG
GACAAT
enz…
• Het DNA van twee mensen verschilt
slechts voor 0,1%.
• DNA is uniek voor ieder van ons
• Men kan DNA gebruiken om
misdadigers op te sporen
9
een
kijk op
Wat is biotechnologie?
Onze cellen maken eiwitten
Genen zijn DNA-codes voor de aanmaak van eiwitten.
Om zo'n gen te vertalen in een eiwit gebruikt de cel
RNA (RiboNucleicAcid). RNA lijkt sterk op DNA, maar
heeft slechts één streng in plaats van twee.
In een eerste stap wordt de DNA-code overgeschreven
of gekopieerd naar RNA, de zogenaamde transcriptie.
Dit RNA brengt de informatie over en heeft de
toepasselijke naam 'boodschapper-RNA' (mRNA of
messenger RNA).
celinhoud
celkern
mRNA wordt dan vertaald in een eiwit, een proces dat
translatie heet. Verantwoordelijk hiervoor zijn de
zogenaamde ribosomen, kleine celorganellen die de
bouwstenen van het mRNA lezen in groepjes van drie:
de codons. Elk triplet of codon komt overeen met
één aminozuur. Aminozuren zijn de bouwstenen van
eiwitten. In totaal zijn er 20 verschillende aminozuren.
De ribosomen maken vervolgens gebruik van twee
nieuwe RNA-moleculen: het rRNA (ribosomaal RNA) en
het tRNA (transfer-RNA). Het tRNA herkent de codons
en brengt de juiste aminozuren aan. Het rRNA plakt
ze aan elkaar. Zo ontstaat aminozuur na aminozuur
een eiwit dat volledig gebouwd is volgens de
oorspronkelijke DNA-code.
RNA
DNA-helix
wijkt uiteen
TRANSCRIPTIE
Informatie verzamelen
Terwijl de gentechnologie steeds meer toepassingen krijgt, speuren
biotechnologen naar meer informatie. In eerste instantie doen ze dit om de
volledige DNA-code van verschillende organismen te ontcijferen. Dat gebeurde
intussen al voor honderden bacteriën, maar ook voor meercellige organismen,
waaronder de mens, de muis en het fruitvliegje. De volgende uitdaging ligt in de
identificatie van de genen en de functiebepaling van de corresponderende
eiwitten. Het ultieme doel: het doorgronden van alle levensprocessen.
10
TRANSLATIE
tRNA
aminozuur
ribosoom
De bouwstenen
van een eiwit
(aminozuren)
worden aaneengeregen als kralen
van een ketting.
DNA op maat
Alle cellen van ons lichaam bevatten hetzelfde DNA en dus de code voor
alle eiwitten van ons lichaam. Maar niet alle cellen produceren al deze
eiwitten. Per cel wordt slechts een aantal eiwitten aangemaakt.
Spiercellen produceren bijvoorbeeld geen insuline, want dit hormoon is
enkel van belang in de pancreas. Om dit te realiseren, staat er in de buurt
van elk gen een stukje DNA dat aangeeft welke soort cel het eiwit in
kwestie moet aanmaken: de promotor.
De promotor bepaalt op welk moment en in welke hoeveelheid het DNA
naar mRNA wordt gekopieerd. Als er veel mRNA wordt aangemaakt leidt
dit tot een hoge eiwitproductie. Als de promotor echter bepaalt dat
er geen mRNA wordt aangemaakt, zal de cel dit eiwit dan ook niet
aanmaken. De activiteit van de promotor hangt op haar beurt af van een
heleboel interne en externe factoren.
11
een
kijk op
Wat is biotechnologie?
Biotechnologie in de praktijk
Biotechnologen krijgen met elke dag die aanbreekt
meer inzicht in de processen die zich afspelen in plant,
mens en dier. Ook het aantal toepassingen van
biotechnologie in geneeskunde, landbouw en milieubescherming neemt duidelijk toe. Neen, het is nu
wel duidelijk: deze technologie is niet meer weg te
denken uit onze maatschappij.
DNA-technologie, gentechnologie, recombinant-DNAtechnologie of genetische modificatie. Heel wat
verschillende namen verwijzen allemaal naar hetzelfde: het gericht wijzigen van de genetische
informatie in een organisme. Dit kan op verschillende
manieren, soms door technieken die we in de
natuur aantreffen te verfijnen.
12
Knippen en plakken
DNA-fragmenten kunnen met behulp van enzymen
geknipt worden. Deze 'eiwitscharen' knippen de DNAhelix op een welbepaalde plaats in de code. Andere
enzymen kunnen DNA-fragmenten dan weer aan
elkaar lijmen. Je kan dit proces het best vergelijken met
het montagewerk van een langspeelfilm: met knipen plakwerk worden stukken film verwijderd en op
een andere plaats toegevoegd. Zo kan men heel
nauwkeurig een DNA-fragment of gen aan een
organisme toevoegen of eruit verwijderen.
Zo worden bestaande
eigenschappen
gewijzigd, fouten hersteld of een nieuw
kenmerk aan een organisme gegeven.
Aangezien de genetische code door alle
levende organismen wordt gedeeld,
kunnen genen van de ene soort naar een
andere soort worden overgebracht. Zo
kan je bijvoorbeeld een menselijk gen
inbouwen in het DNA van een bacterie.
DNA-recombinatie
in de natuur
Om nieuwe eigenschappen aan een
organisme toe te voegen of bestaande
kenmerken aan te passen, moet men de
relevante code op een efficiënte manier
in het organisme binnen-brengen. Dit
gebeurt ook al in de natuur. Bacteriën
bijvoorbeeld gebruiken verscheidene
methodes om genen uit te wisselen.
Zo'n natuurlijke genentransfer kan
gebeuren door plasmiden uit te wisselen.
Plasmiden zijn kleine DNA-ringen die in
staat zijn zichzelf te kopiëren.
door te knippen en plakken
wordt het gewenste stuk DNA
in het plasmide gezet
het gewijzigde plasmide wordt
in de bacterie gebracht
bacterieel
DNA
Van deze inventieve middelen maken
ook wetenschappers graag gebruik. In
het laboratorium kunnen biotechnologen
plasmiden met behulp van enzymen
openknippen, om er DNA naar keuze
in te voegen. Ze laten de gewijzigde
plasmiden weer door de bacteriën
opnemen en bekomen zo genetisch
gewijzigde bacteriën. Het grote verschil
met de natuurlijke uitwisseling van DNA
is het feit dat het proces in het
laboratorium niet willekeurig verloopt.
Enkel de gewenste stukjes DNA worden
van het ene organisme naar het andere
gebracht.
13
een
kijk op
Wat is biotechnologie?
Gratis vervoer
In de loop der jaren zijn er naast het gebruik van plasmiden nog andere technieken
ontwikkeld om nieuw DNA in een cel binnen te smokkelen.
• Plasmiden: ringvormige stukjes DNA die in bacteriën zitten en makkelijk
onderling uit te wisselen zijn. Men vervangt bepaalde genen op het plasmide
door de gewenste DNA-code.
• Op maat gemaakte virussen: virusgenen worden weggeknipt en vervangen door
het gewenste DNA, waarna het virus als een brave postbode de informatie in de cel
aflevert.
• Het genenkanon: minuscule goudbolletjes, bekleed met DNA, worden in de cellen naar
binnen geschoten.
• Injectie: met een kleine injectienaald wordt DNA ingebracht in een pas bevruchte eicel.
Samen met het gewenste gen wordt een promotor
aangebracht, die bepaalt waar, wanneer en in welke
hoeveelheid het nieuwe eiwit wordt geproduceerd.
Het eiwit is immers niet altijd in alle cellen nodig.
DNA-injectie
14
Eén cel in de hand
Het nieuwe DNA komt meestal slechts in enkele cellen
terecht. De kneep bestaat erin om uit een dergelijke cel
een volledig organisme te laten groeien (regeneratie),
dat in alle cellen de nieuwe informatie bezit.
Bij planten is dit relatief eenvoudig, omdat uit elke
plantencel een nieuwe plant kan groeien. Cellen van
mens en dier hebben zich echter zo gespecialiseerd
dat ze niet zo makkelijk overtuigd kunnen worden om
zich tot een nieuw organisme te ontwikkelen. Ondanks
alles is het toch mogelijk. Dat werd bewezen toen men
in 1996 erin slaagde de genetische informatie van een
lichaamscel in te bouwen in een eicel en uit één cel een
zoogdier te kweken: het schaap Dolly.
Hierover vind je meer informatie in de
VIB-brochure 'Klonen en celkerntransplantatie'.
zij bijna volledig de insuline van
dierlijke oorsprong. Voordelen:
biotechnologische insuline vermijdt het risico op besmetting
met dierlijke ziekteverwekkers
en is in onuitputtelijke hoeveelheden voorradig.
Ondertussen produceren genetisch gewijzigde bacteriën en
gisten allerlei geneesmiddelen en vaccins.
Verbeterde enzymen die in wasproducten een nog
wittere was garanderen bij koudere temperaturen,
zijnook het resultaat van GGO's. Genetisch gewijzigde
gewassen zijn bestand tegen insecten of herbiciden.
De gentechnologie kan ook dieren nieuwe kenmerken
geven.
Deze en andere voorbeelden van GGO's en
hun toepassingen worden besproken in de andere
brochures uit de VIB-inforeeks.
GGO’s
De organismen die door middel van gentechnologie
een nieuwe eigenschap hebben gekregen, noemt
men transgene of genetisch
gewijzigde
organismen
(GGO's). De eerste gentransfer werd in 1973
uitgevoerd bij bacteriën.
Vijf jaar later slaagden
wetenschappers erin om
menselijke
insuline
in
bacteriën aan te maken.
Insuline wordt toegediend
aan suikerzieke patiënten
die niet in staat zijn het
hormoon zelf aan te maken.
Vandaag
is
biotechnologische insuline overal ter
wereld te koop en vervangt
Besluit
Door de ingrijpende alomtegenwoordigheid van zijn
toepassingen is de biotechnologie niet meer weg
te denken uit onze maatschappij. Goede informatie
over wat kan en niet kan, ook vanuit een ethisch
perspectief, is cruciaal.
Goed geïnformeerd
zijn is de boodschap.
Enkel zo is een evenwichtig
toekomstdebat mogelijk. VIB
hoopt u met deze
brochure alvast een
weg naar dat debat te
hebben getoond.
15
een
kijk
op
Wat is
biotechnologie?
De biotechnologie staat volop in de belangstelling.
Dat komt niet alleen omdat ze zich buitengewoon
snel ontwikkelt, maar ook omdat haar toepassingen
een heel concrete weerslag op ons dagelijks leven
hebben.
Meer informatie?
VIB beschikt over verschillende brochures:
1.
Erfelijkheid bij de mens: aan genen zijde
2.
Wat is biotechnologie?
3.
Biotechnologie: gezondheid
4.
Biotechnologie en planten
5.
Klonen en celkerntransplantatie
6.
De veiligheid van genetisch gewijzigde gewassen
7.
Xenotransplantatie: het beest in de mens...
8.
Enzymen: in je lijf en in je leven
9.
Stamcellen, cellen van de toekomst?
10. Gentherapie: genen genezen
Je kan ze gratis aanvragen bij VIB op onderstaand
www.vib.be
Gedrukt in België
adres of downloaden via www.vib.be
Voor meer informatie kan je contact opnemen met VIB:
Tel. +32 9 244 66 11 / Fax +32 9 244 66 10
[email protected]
IciLaba
Rijvisschestraat 120, 9052 Gent