Biotechnologie - Chemische Feitelijkheden

Inhoud
Startpagina
Biotechnologie
113–1
Biotechnologie
door dr. W. H. Mager
Vakgroep Biochemie en Moleculaire Biologie
Vrije Universiteit
Amsterdam
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Inleiding
Chemische structuur van erfelijke
eigenschappen. Het DNA
Recombinant-DNA-techniek
Toepassingen
Veiligheid en ethiek
Consument
Aanvullende literatuur
12 Chemische feitelijkheden
december 1994
113– 3
113– 4
113– 7
113– 9
113–11
113–12
113–13
tekst/113
Inhoud
Startpagina
Biotechnologie
1.
113–3
Inleiding
Onder biotechnologie verstaan we het gebruik van levende organismen of delen daarvan voor industriële processen. Tot de gebruikte
organismen behoren met name ééncellige microörganismen als bacteriën, gisten of schimmels, maar in toenemende mate ook cellen
van planten en dieren. Biotechnologie wordt gekenmerkt door de
samenwerking tussen verschillende vakgebieden en een sterke toepassingsgerichtheid. Biotechnologie kan ook algemener omschreven
worden als de integratie van scheikunde, biologie en proceskunde
voor (industriële) toepassingen van levende organismen of delen
daarvan.
Andere termen die een nauwe relatie hebben met biotechnologie
zijn:recombinant-desoxyribonucleïnezuur(recombinant-DNA)technologie, in feite de technologie die ten grondslag ligt aan de moderne biotechnologie (zie verder) en gentechnologie. De laatste
wordt ook wel genetische manipulatie of genetische modificatie genoemd. Eenvoudig gesteld betekent dit het veranderen van erfelijke
eigenschappen, waarop de recombinant-DNA-technieken doorgaans zijn gericht. Het gebruik maken van biologische processen
voor industriële doeleinden is niet van recente datum; al ten tijde
van de oude Egyptenaren werden voedings- en genotmiddelen als
brood, kaas, yoghurt, bier en wijn geproduceerd volgens een „biotechnologie” die vooral gebaseerd was op overlevering en empirische gegevens. Met het toenemen van het inzicht in biotechnologische processen is het aantal toepassingen de laatste jaren sterk toegenomen. De grootste stroomversnelling is veroorzaakt door het beschikbaar komen van recombinant-DNA-technieken: de
mogelijkheid eigenschappen van levende wezens te veranderen door
het knippen en plakken van stukjes erfelijkheidsmateriaal, DNA.
Op zich is het menselijk ingrijpen in de erfelijkheid overigens niet
nieuw. Het kruisen van dieren en het veredelen van gewassen gebeurt al heel lang en selectie van nieuwe erfelijke eigenschappen is
zelfs heel „natuurlijk”. Maar de moderne technieken zijn uniek in de
gerichtheid en de efficiëntie waarmee gewenste veranderingen kunnen worden aangebracht.
12 Chemische feitelijkheden
december 1994
tekst/113
Inhoud
Startpagina
113–4
2.
Biotechnologie
Chemische structuur van erfelijke eigenschappen. Het DNA
Welke eigenschappen een levende cel heeft en tot welke fysiologische activiteiten een cel in staat is, wordt bepaald door het spectrum
aan eiwitten dat in deze cel wordt aangemaakt (gesynthetiseerd).
Veel van de in een cel gemaakte eiwitten hebben een werking als
enzym, dat wil zeggen, ze katalyseren een bepaalde biochemische
omzetting. Andere eiwitten spelen een structurele rol in de cel; ze
zijn betrokken bij transport- of opslagprocessen of hebben een signaalfunctie bij de interne en externe communicatie van de cel (bijvoorbeeld als hormoon). Ook zijn er eiwitten met een regelfunctie,
bijvoorbeeld als versterker of verzwakker, in het proces van genexpressie (zie verder). In feite worden de meeste eigenschappen van
een cel dus bepaald door eiwitten.
Eiwitten zijn macromoleculen opgebouwd uit enkele tientallen tot
enkele duizenden bouwstenen, de aminozuren. In de natuur komen
twintig verschillende aminozuren voor. In een eiwitmolecule zijn de
aminozuren lineair aan elkaar gekoppeld via zogenaamde peptidebindingen, ontstaan door reactie tussen de carbonzuurgroep van het
ene met de aminogroep van het volgende molecule, onder afsplitsing
van water. Eiwitten zijn dus polypeptiden. Dat eiwitten zoveel verschillende functies kunnen hebben, vloeit voort uit de talloze mogelijke combinaties die twintig verschillende aminozuren bieden. De
volgorde van aminozuren bepaalt hoe dat eiwit zich in het interne
milieu van een cel opvouwt – hetgeen bepaald wordt door de moleculaire interacties tussen de verschillende typen zijketens – en de
ruimtelijke opvouwing van een eiwitmolecuul bepaalt dan de uiteindelijke biologische functie ervan.
De informatie voor de structuur en aanmaak van alle eiwitten ligt in
codevorm opgeslagen in een ander macromolecule, het DNA. DNA
bevindt zich doorgaans gecomplexeerd met eiwitten in de kern van
de cellen in een compact opgevouwen vorm, de chromosomen. Het
moleculair gewicht van DNA is zeer hoog, het gaat hier om waarden van 1 miljard of hoger. DNA is de drager van alle erfelijke eigenschappen. Bij deling van cellen worden dan ook twee volledige
kopieën van het oorspronkelijke DNA gemaakt. Bij voortplanting
komt doorgaans de ene helft van de erfelijke (=genetische) infor12 Chemische feitelijkheden
december 1994
tekst/113
Inhoud
Startpagina
Biotechnologie
113–5
matie – het DNA – van de moeder en de andere helft van de vader.
De vraag naar de chemische structuur van de erfelijke informatie is
in wezen de vraag naar de wijze waarop de lineaire aaneenschakeling van aminozuren vastligt in het DNA.
Het macromolecule DNA bestaat uit twee spiraalsgewijze om elkaar
gewonden strengen die zijn opgebouwd uit vier verschillende bouwstenen, nucleotiden genaamd, die bestaan uit een suikerfosfaat en
een organische base: adenine, guanine, cytosine en thymine, kortweg A, G, C en T (zie figuur 1). De chemische koppeling tussen de
nucleotiden in een enkele streng is een covalente fosfaatdiëster-binding. In de dubbelstrengsstructuur zit tegenover elke A een T en
tegenover elke C een G en omgekeerd. Deze zogenaamde basenparen worden in stand gehouden door waterstofbruggen.
Bij het vermenigvuldigen van DNA (een proces dat DNA-replicatie
wordt genoemd) ritst de dubbelstreng open en vormt elk van beide
strengen een matrijs voor de synthese van een nieuwe. Deze nieuwe
strengen zijn exact complementair aan de oude, dat wil zeggen dat
weer tegenover een A een T en tegenover een G een C aanwezig is.
Er zijn na de DNA-replicatie dus twee identieke kopieën van het
oorspronkelijke DNA-molecule ontstaan die bij de celdeling in de
twee nieuwe cellen terechtkomen. In de structuur van DNA ligt dus
de garantie voor de erfelijke overdraagbaarheid van informatie. Wat
is dan die informatie? Combinaties van drie bouwstenen in het DNA
(een triplet of codon) vormen een coderingseenheid voor één aminozuur. Omdat er 43=64 mogelijke triplet-combinaties zijn van de
vier basen (A, T, C en G), zijn er voor diverse aminozuren (in totaal
20) meer codons. Bovendien zijn er drie „nonsense” codons die als
een stopsignaal (stopcodon) fungeren. Een gen wordt nu gedefinieerd als de lineaire aaneenschakeling van de codons die coderen
voor de achtereenvolgende aminozuren in een eiwitmolecule. Het
gen voor een eiwit bestaande uit 100 aminozuren zou daarmee dus
300 nucleotiden lang zijn en gevolgd worden door een stopcodon. In
het jargon van moleculair biologen wordt de rangschikking van
deze 300 nucleotiden de (aminozuur-coderende) sequentie van het
gen genoemd. In wezen is elk gen langer omdat ook bepaalde regelsequenties aan het begin of aan het eind tot het gen gerekend
worden. De feitelijke aminozuur-coderende sequentie wordt daar12 Chemische feitelijkheden
december 1994
tekst/113
Inhoud
Startpagina
113–6
Biotechnologie
0886-011
Figuur 1. Dubbelspiraalstructuur van DNA. De dubbele helix wordt in stand gehouden door basenparing tussen G en C, respectievelijk A en T in de twee ketens. Dankzij
deze specifieke basenparing worden bij vermenigvuldiging van een DNA-molecule
(voorafgaand aan de celdeling) twee exacte kopieën van het oorspronkelijk molecule
gemaakt.
12 Chemische feitelijkheden
december 1994
tekst/113
Inhoud
Startpagina
Biotechnologie
113–7
om vaak het „open leesraam” genoemd. Genen in hogere (eukaryote) cellen zijn doorgaans nog veel ingewikkelder omdat zich tussen de sequentie van het open leesraam andere „zinloze” sequenties
bevinden die introns worden genoemd en waarvan de functie nog
niet duidelijk is. Eukaryote cellen zijn cellen met een kern, in tegenstelling tot prokaryoten die geen celkern bevatten.
Genexpressie is het proces waarbij de in codon-vorm opgeslagen informatie in het DNA vertaald wordt in de aminozuurvolgorde van
een eiwit. In dit proces van genexpressie kunnen verschillende fasen
worden onderscheiden. Eerst wordt het stukje DNA dat een gen bevat overgeschreven in de vorm van een boodschapper-ribonucleïnezuur (boodschapper-RNA) molecule. Dat overschrijven (transcriptie) berust op hetzelfde principe van de A-T, G-C basenparing bij
DNA. De structuur van RNA lijkt erg op die van DNA, maar
RNA-moleculen zijn enkelstrengs en veel kleiner; de lengte is natuurlijk afhankelijk van de grootte van het eiwit waarvoor het de
code draagt. RNA’s zijn bovendien betrekkelijk instabiel waardoor
de mate van genexpressie snel aangepast kan worden aan de behoefte van de cel. De tweede stap in de genexpressie is de vertaling
(translatie) van de codon-informatie in eiwit. Bij dit proces zijn gespecialiseerde celdeeltjes, de ribosomen, betrokken en bovendien
speciale RNA’s, de transport-RNA’s. Deze laatste fungeren als
„adapter”-moleculen omdat ze enerzijds een aminozuur en anderzijds het erbij horende codon in de boodschapper RNA herkennen.
Het proces van genexpressie in hogere cellen bevat nog een belangrijke stap omdat eerst alle intron-sequenties uit de boodschapper
RNA’s verwijderd moeten worden voordat deze vertaalbaar zijn.
3.
Recombinant-DNA-techniek
Dankzij de recombinant-DNA-techniek is het mogelijk elk willekeurig gen in onbeperkte hoeveelheden zuiver in handen te krijgen.
Bovendien kunnen genen afkomstig uit cellen, ongeacht welk type,
in principe in andere cellen tot expressie gebracht worden. De techniek heeft twee pijlers. In de eerste plaats zijn er tal van zogenaamde
restrictie-enzymen ontdekt – en inmiddels op de markt gebracht –
12 Chemische feitelijkheden
december 1994
tekst/113
Inhoud
Startpagina
113–8
Biotechnologie
die DNA-moleculen op een specifieke plaats, namelijk in een bepaalde sequentie van nucleotiden, kunnen doorknippen. Restrictieenzymen brengen breuken aan in het dubbelstrengs-DNA door het
hydrolyseren van fosfaatdiësterbindingen. Dat restrictie-enzymen
specifiek bepaalde sequenties herkennen en daar breuken aanbrengen, houdt in dat de herkomst van het DNA er niet toe doet. Het
restrictie-enzym EcoRI bijvoorbeeld, afkomstig uit een Escherichia
coli-stam, herkent de sequentie
0886-012
ongeacht of het om DNA uit een bacterie, een plant of de mens
gaat. Veel restrictie-enzym-knipplaatsen hebben een soort palindroom-structuur en het betreffende enzym knipt het DNA daar
„asymmetrisch” door. Bij een palindroom leest men van links naar
rechts hetzelfde als van rechts naar links. Voorbeeld: parterretrap.
Er ontstaan zo brokstukken, in het geval van EcoRI eindigend op
een enkelstrengs stukje TTAA. Volgens de regels van de basenparing hebben deze uiteinden de neiging aan elkaar te plakken. Zo kan
ook een fragment van menselijk DNA eindigend op deze sequentie
plakken aan DNA uit een bacterie. De alsdus verkregen nieuwe
combinatie – recombinant DNA – kan worden gestabiliseerd door
de fosfaatdiësterbreuken te „herstellen” met behulp van het plakenzym ligase.
De tweede pijler waarop de recombinant-DNA-techniek berust is
het beschikbaar zijn van vele soorten plasmiden. Dit zijn kleine ringvormige DNA-moleculen die in aantallen van één of meer exemplaren in bacteriën of gistcellen kunnen voorkomen. De cellen hebben
er voordeel bij deze plasmiden te handhaven omdat op het plasmide-DNA voor de cel nuttige genen gelegen zijn (figuur 2). Deze
plasmiden nu kunnen gebruikt worden om soortvreemd DNA in de
vorm van een recombinant-molecule de cel binnen te krijgen. Plasmiden worden daarom vectoren genoemd, voertuigen; het vreemde
DNA is als het ware de passagier. Behalve plasmiden kunnen ook
12 Chemische feitelijkheden
december 1994
tekst/113
Inhoud
Startpagina
Biotechnologie
113–9
bepaalde virussen als vector optreden. Als een fragment van dierlijk
DNA met daarop het gen coderend voor een bepaald eiwit op deze
wijze in een bacterie- of gistcel wordt binnengebracht (een proces
dat transformatie wordt genoemd (figuur 2) en vermenigvuldigd,
wordt gesproken van een kloon. Het gen is gekloneerd. De organismen die via een soortvreemd gen een extra eigenschap hebben
gekregen, worden transgeen genoemd. Doorgaans wordt deze term
echter niet gebruikt voor bacteriën en gisten maar vooral voor planten en dieren die op een vergelijkbare manier als hierboven beschreven genetisch gemodificeerd kunnen worden. In principe geldt dit
zelfs voor de mens.
4.
Toepassingen
Volgens het hier beschreven principe zijn de afgelopen jaren diverse
genen tot expressie gebracht met het doel tot commerciële produktie
van de door dat gen gecodeerde eiwitten te komen. In de voedingsen genotmiddelenindustrie is een bekend voorbeeld het eiwit chymosine. Dit is het eiwit uit de kalvermaag dat in de kaasbereiding een
essentiële rol vervult bij het stremmen van melk. Het gen voor chymosine is ingebouwd in het DNA van gist zodat deze cellen als fabriek voor dit produkt fungeren. In de Verenigde Staten, Engeland
en Zwitserland wordt al kaas op de markt gebracht die op deze wijze
gemaakt is. Ook worden verschillende langs deze weg verkregen
koolhydraat-splitsende enzymen toegepast bij de bier-, brood- en
vruchtensapbereiding. In het algemeen geldt voor deze industriële
sector dat door het werken met zuivere enzymen een betere procesen produktcontrole mogelijk is.
In de farmaceutische industrie zijn nieuwe geneesmiddelen ontwikkeld, zoals menselijk insuline, interferonen en groeifactoren, die
door recombinant-bacteriën worden geproduceerd. Vrouwelijke nakomelingen van de stier Herman kunnen het menselijk moedermelkeiwit lactoferrine maken dat mogelijk kan dienen ter versterking van
het afweersysteem. Ook voor de produktie van vaccins wordt gebruik gemaakt van eiwitten die in bacteriën tot expressie zijn gebracht. Tevens zijn zwangerschaps- en AIDS-testen ontwikkeld. In
de toekomst zal het onderzoek naar nieuwe behandelwijzen van
12 Chemische feitelijkheden
december 1994
tekst/113
Inhoud
Startpagina
113–10
Biotechnologie
0886-013
Figuur 2. Principe van de recombinant-DNA techniek. Als voorbeeld worden bacteriën als „gastheer” gebruikt. Bacteriën gaan dood in aanwezigheid van een antibioticum,
tenzij ze een eiwit kunnen maken dat dit antibioticum afbreekt. Het gen coderend voor
dit eiwit is gelegen op het plasmide. Op deze wijze kunnen bacteriecellen die een (recombinant-)plasmide hebben opgenomen worden geselecteerd, want zij overleven de
werking van het antibioticum.
kanker en immunologische afweer- en verouderingsziekten van
groot belang zijn.
In de land- en tuinbouw wordt gewerkt aan de gerichte verbetering
12 Chemische feitelijkheden
december 1994
tekst/113
Inhoud
Startpagina
Biotechnologie
113–11
van een groot aantal gewassen: bijvoorbeeld aan tomaten die een
langere houdbaarheid hebben (inmiddels op de markt), aan aardappelen (bintje) met een verhoogde weerstand tegen insektevraat zodat minder bestrijdingsmiddelen nodig zijn, aan selectieve mogelijkheden tot onkruidverdelging en aan planten met nieuwe variaties
aan bloemkleuren.
Binnen de fijnchemie zijn voorbeelden de produktie van zuivere tussenprodukten, van reuk- en smaakstoffen zoals de zoetstof aspartaam en van wasmiddel-enzymen als proteasen en lipasen.
Tenslotte is de milieuzorg een belangrijk toepassingsgebied. Zo kan
de fosfaatbelasting van het milieu aanzienlijk worden beperkt met
behulp van biotechnologisch geproduceerd fytase. Fytase toegevoegd aan veevoer, laat het dier het fosfaat dat in de vorm van fytaat in het voer aanwezig is, beter opnemen, zodat minder fosfaat
via de mest in het milieu terecht komt.
5.
Veiligheid en ethiek
Toen de recombinant-DNA-techniek nog maar pas ontdekt was,
bestond onzekerheid over de gevolgen die de toepassing ervan op
mens en milieu zou kunnen hebben. Dankzij de gunstige uitkomsten
van gericht onderzoek met calamiteitenscenario’s wordt thans de
kans op gevaren veel lager ingeschat. Bovendien zijn voor het werken met recombinant-DNA-bevattende organismen richtlijnen vastgesteld, in Nederland door de Voorlopige Commissie Genetische
Modificatie (VCOGEM) en haar voorgangers. Kortweg komen de
richtlijnen erop neer dat de werkzaamheden alleen mogen worden
uitgevoerd door onderzoekers die een training hebben gehad in het
veilig (besmettingsvrij) werken. Het werk moet bovendien worden
uitgevoerd in speciale laboratoria, kassen, dierverblijven of procesinstallaties, voorzien van voldoende veiligheidsvoorzieningen (fysische inperking). Essentieel is tenslotte de zogenaamde biologische
inperking, waaronder verstaan wordt het werken met (micro-)organismen die buiten het laboratorium niet kunnen overleven.
De vervaardiging van en de handelingen met genetisch gemodificeerde organismen (GGO’s) zijn vastgelegd in het Besluit GGO, dat
onlangs is aangepast aan de Europese richtlijn. Om flexibiliteit in de
12 Chemische feitelijkheden
december 1994
tekst/113
Inhoud
Startpagina
113–12
Biotechnologie
regelgeving te houden, zijn daarnaast gedetailleerde technische bepalingen zoals de voorschriften voor fysische inperking en werkvoorschriften neergelegd in een ministeriële regeling, die zonodig
aangepast kan worden aan de actuele ontwikkelingen. De VCOGEM, de Hoofdinspectie Milieuhygiëne en de afdeling Hinderwet
van de gemeenten houden toezicht op de naleving van de wet.
De discussie over genetische modificatie spitst zich de laatste jaren
toe op de maatschappelijke en ethische gevolgen van de toepassingen ervan. Dat komt met name door het toenemend gebruik van
dieren in de biotechnologie. Genetische experimenten met dieren
zijn vanzelfsprekend controversiëler dan die met gisten of bacteriën.
Vragen die dan in elk geval gesteld moeten worden, zijn: hoe groot
zijn de belangen? wat is de kans op succes? en: zijn er alternatieven?
De Dierenbescherming bijvoorbeeld is sterk gekant tegen de moderne biotechnologie omdat de gevolgen voor het welzijn en de gezondheid van het dier onduidelijk zijn. Recent is over deze problematiek een „publiek debat” gestart. De opvattingen bewegen zich in
het algemeen tussen „Ja, mits” en „nee, tenzij”.
Ter discussie staan ook de economische gevolgen voor arme landen
die door de opkomst van de biotechnologie nog afhankelijker zouden kunnen worden van de rijke landen. Aan de andere kant heeft
de ontwikkeling van landbouwgewassen die een hogere voedingswaarde hebben en meer ziektebestendig zijn, juist voor deze landen
evidente voordelen.
6.
Consument
Binnenkort zullen ook in ons land de eerste voedingswaren geproduceerd met gebruikmaking van de moderne biotechnologie in de
supermarkt liggen. Vooruitlopend op de aanstaande regelgeving in
EG-verband heeft de overheid onlangs een regeling voor „nieuwe
voedingsmiddelen” in de Warenwet opgenomen die inhoudt dat
produkten pas op de markt gebracht mogen worden als ze officieel
veilig bevonden zijn. Het is nog de vraag of deze artikelen middels
een speciaal etiket herkenbaar moeten zijn. De Consumentenbond
legt in elk geval de nadruk op de veiligheid voor de klant en op de
noodzaak van een goede informatievoorziening. Maatschappelijke
12 Chemische feitelijkheden
december 1994
tekst/113
Inhoud
Startpagina
Biotechnologie
113–13
acceptatie van de nieuwe biotechnologische produktiewijze is vermoedelijk nog een kwestie van tijd.
7.
Aanvullende literatuur
–
Biotechnologie. Over DNA en genetische manipulatie. Stichting Teleac, 1986.
Biotechnologie. De levende cel als chemische fabriek. Lesbrief
KNCV/VNCI/NVON, 1992.
Erfelijke veranderingen bij bacteriën, planten en dieren. Voordelen en risico’s. VCOGEM, 1992
P. Vermij, Perfectie op bestelling. Genetische manipulatie in het
dagelijks leven. 1992.
Consument en biotechnologie. SWOKA-rapport nr 85, 1990.
Richtlijnen voor de vervaardiging van en de handelingen met
genetisch gemodificeerde organismen. VCOGEM, 1993.
Genetische modificatie van dieren, mag dat? Verslag van het
publiek debat, NOTA/PWT. Verschijnt binnenkort.
Chemisch Magazine nr. 3, maart 1994.
–
–
–
–
–
–
–
12 Chemische feitelijkheden
december 1994
tekst/113