Genetisch gewijzigde microben - klein maar fijn?

Genetisch gewijzigde microben - klein maar fijn?
Jan Steensels en Kevin J. Verstrepen
Laboratorium voor Genetica en Genomica, K.U.Leuven
Laboratorium voor Systeembiologie, VIB
Introductie: van natuurlijke veredeling naar genetische modificatie
Het is al te gemakkelijk om te vergeten van hoe ver onze landbouw komt. Letterlijk – Mesopotamië is niet bij de
deur, maar vooral ook figuurlijk. Verbeterde werktuigen, mechanisatie, bemesting en doorgedreven veredeling
van dieren en gewassen zorgden voor een enorme toename in productiviteit. Deze evolutie maakte niet alleen
een exponentiële toename van het aantal mensen op de planeet mogelijk, maar zorgde er bovendien voor dat de
mensheid zich verder kon ontwikkelen, omdat een deel van de bevolking zich niet meer voltijds moest
bezighouden met het verzamelen van voedsel.
De veredeling van gewassen en dieren begon reeds bij de vroegste ontwikkeling van landbouw, zo´n tienduizend
jaar geleden. Boeren kozen instinctief de beste planten om zaden te winnen voor een volgende oogst, en de beste
dieren werden gebruikt in kweekprogramma’s. We staan er niet bij stil, maar op de keper beschouwd is dit een
erg fundamentele en volledig onnatuurlijke ingreep, die regelrecht ingaat tegen de grootste natuurwet, nl. de wet
van de natuurlijke selectie. In plaats van de natuurlijke selectie haar werk te laten doen, grijpt de mens in en
bepaalt artificieel welke eigenschappen geselecteerd worden, en welke moeten verdwijnen. Hoewel deze
procedures al millennialang wordt toegepast, creëren ze in feite erg onnatuurlijke wezens die in de vrije natuur
geen enkele kans zouden maken. Denk hierbij bijvoorbeeld aan onze nationale trots, het Belgische Witblauw. Dit
runderras heeft zoveel spiermassa dat het geboortekanaal te eng is geworden voor een natuurlijke geboorte,
zodat elk kalf ter wereld wordt gebracht via een keizersnede (en die zijn schaars in de natuur!).
Genetische modificatie is een veel recentere techniek voor de veredeling van onze landbouwgewassen en -dieren.
Een techniek die (net zoals klassieke veredeling) onnatuurlijk is en significante gevaren inhoudt, maar daarnaast
ook grandioze mogelijkheden creëert. Het basisprincipe van veredeling en genetische modificatie is in wezen
volledig identiek: men tracht zoveel mogelijk “goede” stukjes DNA samen te brengen in één levend wezen. Het
grote verschil tussen genetische modificatie en klassieke veredeling schuilt in twee belangrijke factoren. In
tegenstelling tot veredeling, waarbij stukken DNA van twee ouders ad random gemengd worden, laat genetische
modificatie toe om stukjes DNA met chirurgische precisie te combineren of in te voegen. Ook is men, in
tegenstelling tot veredeling, niet enkel gelimiteerd tot het combineren van stukjes DNA van wezens die zich
onderling seksueel kunnen voortplanten. Zo wordt het dus mogelijk om een stukje DNA van pakweg een bacterie
over te brengen naar het genetisch materiaal van bv. een katoenplant. Klinkt onrealistisch? Toch is dit het geval
voor ongeveer 50% van alle hedendaagse katoenplanten, die een gen (een stukje DNA) van de bacterie Bacillus
thuringiensis dragen dat ervoor zorgt dat ze een stof aanmaken die dodelijk is voor bepaalde parasieten, maar
totaal ongevaarlijk voor de mens. Gevolg: de planten moeten minder besproeid worden met schadelijke
pesticiden en leveren meer opbrengst. En de katoenindustrie is zeker geen uitzondering: ook een significant deel
van de wereldproductie van bv. sojabonen, maïs en lijnzaad bestaat uit genetisch gemodificeerde gewassen (77%,
26% en 21%, resp.).
Genetische modificatie: logische stap, of stap te ver?
De mogelijkheden van genetisch gemodificeerde organismen (GGO’s) zijn haast alleen begrenst door onze kennis.
Immers, genetische modificatie vraagt een diepere kennis van de stukjes DNA die verantwoordelijk zijn voor een
gewenste eigenschap. Het grote voordeel is dat het in principe mogelijk is om veel sneller en nauwkeuriger te
werken dan met klassieke veredeling. Zo zou men perfect een gespierde dikbilkoe kunnen bekomen na één enkele
genetische modificatie, in plaats van eeuwenlange kweekprogramma’s to volgen. Bovendien zijn we niet eens
beperkt tot in de natuur aanwezige stukjes DNA: het is sinds kort mogelijk om grote stukken DNA aan te maken via
chemische synthese, en zo als het ware het volledige genoom (alle DNA) van een volledig artificieel wezen aan te
maken (“synthetische biologie”). Science fiction of verre toekomst, zegt u? Helemaal niet: vorig jaar werd reeds
1
een volledig genoom van een mycoplasma bacterie aangemaakt door wetenschappers van het C. Venter Institute.
Dit is een eerste voorbeeld van volledig artificieel leven!
Uiteraard zijn genetisch gemodificeerde organismen niet zonder gevaar. Het grote publiek vreest vaak voor de
gezondheidsrisico’s die gepaard gaan met het consumeren van genetisch gewijzigde organismen, een vrees die
vaak gevoed wordt door verkeerde informatie en signalen die (al dan niet bewust) worden uitgestuurd door al te
ijverige milieugroeperingen. Soms denkt men zelfs dat het eten van (genetisch gewijzigd) DNA gevaarlijk is. Toch
is er hier eigenlijk helemaal geen risico. Bij elke maaltijd consumeren we ongeveer een eetlepel DNA, dat aanwezig
is in alles wat we eten. De samenstelling van het DNA heeft geen belang, het wordt afgebroken tot de
bouwstenen. Trouwens, de lekkere GGO-vrije maïs die we verorberen kan vele miljoenen bacteriën dragen die
allemaal het stukje DNA dragen dat soms wordt ingebracht in genetisch gewijzigde maïssoorten…
De reële gevaren van genetisch gewijzigde organismen schuilen op een ander niveau, en vooral op een andere
tijdsschaal. Immers, het is niet altijd te voorspellen wat de langetermijneffecten zijn van het grootschalige gebruik
van genetisch gewijzigde organismen. Kan het telen van planten die resistent zijn tegen bepaalde insecten op
langere termijn het ecosysteem in gevaar brengen? Kunnen we uitsluiten dat het stukje DNA dat zorgt voor de
resistentie misschien overgedragen wordt naar andere planten, met pesticidenresistente woekerplanten tot
gevolg? Het blijft een eeuwige discussie, en zelfs al lijken de meeste wetenschappelijk studies aan te geven dat de
risico’s beperkt zijn, helemaal zeker van een nulrisico zijn we nooit. Het is een beetje als het monster van Loch
Ness: je kan nooit bewijzen dat het niet bestaat. Anderzijds zijn sommige mogelijke toepassingen van genetisch
gewijzigde organismen zonder enige twijfel erg gevaarlijk en ontoelaatbaar. Juist daarom is de huidige wetgeving
erop gericht om elk geval apart te bekijken en te beoordelen of het een veilige toepassing is, die bovendien een
voldoende meerwaarde biedt.
Andere veelgenoemde risico’s van genetische gewijzigde organismen situeren zich op een derde,
sociaaleconomisch niveau. De kostprijs voor het ontwikkelen van GGO-gewassen ligt enorm hoog, en kan bijgevolg
niet door zomaar iedereen bekostigd worden. Voor het kunnen telen van de superieure, ziekteresistente
gewassen, kunnen kapitaalarme boeren alsmaar meer afhankelijk worden van grote multinationals, die de zaden
voor de (veelal steriele) planten aanleveren. Een belangrijke bedenking is echter of dit wel specifiek geldt voor
genetisch gewijzigde organismen. Ook de niet-GGO landbouw komt immers meer en meer in handen van enkele
multinationals. Een goede wetgeving en sturing vanuit de overheid kan hier wonderen doen, maar voorlopig loopt
daar zeker één en ander spaak.
Tenslotte vormt ook de teloorgang van biodiversiteit zeker een substantieel risico. Indien we te afhankelijk
worden van één of een paar (genetisch gewijzigde) cultivars of stammen vergroot het risico dat de hele productie
verloren kan gaan door een ziektekiem waarvoor de specifieke variant kwetsbaar is. Natuurlijk is ook dit gevaar
niet uitsluitend verbonden aan genetisch gewijzigde organismen, en ook hier kan een intelligent beleid helpen;
maar ook hier ontbreekt het voorlopig aan een voldoende krachtdadig beleid. het grote struikelblok is de nood
aan een mondiale aanpak in plaats van het huidige versnipperde lokale beleid op niveau van continenten, landen
en zelfs regio´s.
Veredeling bij microben
In vergelijking met de veredeling en verbetering van landbouwgewassen en vee, lopen microben enorm achter.
Hiervoor zijn drie belangrijke verklaringen. Ten eerste maakte de mensheid pas kennis met microben in 1680, toen
Antoni van Leeuwenhoek met zijn zelfontworpen microscoop voor het eerst eencellige organismen kon
e
waarnemen. Vervolgens moesten we wachten tot de tweede helft van de 19 eeuw, toen het pionierswerk van
Louis Pasteur het belang en de toepassingsmogelijkheden van microben aantoonde. Maar zelfs na deze
ontdekkingen, was het niet eenvoudig om microben te veredelen voor menselijk gebruik. Het is nu eenmaal
simpeler om twee kolossale runderen met elkaar te kruisen dan twee specifiek gistcellen van 5 micrometer groot
die in een cultuur zitten van miljarden cellen die er allemaal hetzelfde uitzien. Dit laatste vergt gespecialiseerd
gereedschap en een wetenschappelijke aanpak die voor de meeste eindgebruikers (bakkers, wijnmakers,
brouwers…) niet haalbaar was. En zelfs nu dit door de moderne wetenschap geen struikelblok meer is, is het
verbeteren van microben voor voedselproductie geen evidentie, omdat er in veel voedingsproductiesectoren geen
2
uitwisseling van microben is. Brouwers, bijvoorbeeld, gebruiken één (of hoogstens een paar) gist(en) voor het
maken van hun bier. Een andere brouwer gebruikt dan weer een andere gistvariëteit. Dat is een heel andere
situatie dan de productie van gewassen of vee, waarbij vele boeren dezelfde soorten gebruiken, en teelt- of
kweekmateriaal vaak wordt uitgewisseld, of zelfs professioneel beheerd wordt door veredelingsbedrijven.
Toch zijn het vandaag erg opwindende tijden voor microbiologen die zich toeleggen op de verbetering van
microben voor menselijk gebruik. De opgelopen achterstand wordt met rasse schreden ingehaald. Voor sommige
microben, zoals bijvoorbeeld bakkersgisten, staat men al erg ver. Bakkers kunnen vandaag kiezen uit catalogi met
honderden verschillende gisten die elk specifieke eigenschappen hebben qua fermentatiesnelheid, capaciteit om
het deeg te doen rijzen en bestendigheid tegen invriezen of verhitten. Al deze giststammen zijn gecreëerd door
selectieve kruisingen van verschillende gistvariëteiten, en zijn dus geen GGO’s.
Vergeleken met de bakkers lopen de brouwers flink achterop, juist omdat elke brouwerij angstvallig zweert bij hun
traditionele gist in plaats van actief op zoek te gaan naar superieure varianten. Toch is er, mede onder invloed van
de recente schaalvergroting in de brouwerijsector, ook hier een innovatieve trend waarneembaar. In
samenwerking met geëngageerde brouwers is onze onderzoeksgroep nu volop bezig met grootschalige studies
gericht op het vinden of creëren van betere gisten voor toepassing in de bierbrouwerij. Mét resultaat trouwens,
want een aantal van de gisten heeft reeds zijn weg gevonden naar de markt.
GGO in ons bier - een processie van Echternach?
Hoe staat het dan met genetisch gewijzigde microben in ons voedsel? In de jaren 90 was er een korte maar hevig
race om via genetische modificatie microben te maken die beter geschikt zijn voor industrieel gebruik. In de
medische sector begon deze race al iets vroeger, en vandaag worden er heel wat verschillende genetisch
gemodificeerde microben gebruikt voor de productie van geneesmiddelen. Echter, in de veelal oerconservatieve
voedingssector liep het niet zo´n vaart. Hier en daar doken reeds een paar genetisch gemodificeerde microben op.
Het meest opzienbarende voorbeeld was wellicht een brouwersgist die een gen tot expressie bracht waardoor de
cellen ook complexe suikers en zelfs zetmeel konden afbreken. Hierdoor werd het mogelijk om bier te maken dat
veel minder restsuikers bevat, en dus minder calorieën telt. Hoewel de initiële productie niet volstond om aan de
vraag te voldoen, werd het bier nooit op grote schaal gecommercialiseerd. Mede door grootschalige (en niet altijd
wetenschappelijk onderbouwde) acties van drukkingsgroepen en goedbedoelende milieuorganisaties, en door
ongerelateerde problemen zoals de dollekoeienziekte en later de Belgische dioxinecrisis, werden consumenten
zeer behoedzaam en wantrouwig t.o.v. de moderne, industriële voedselproductie. Dat wantrouwen straalde ook
af op alles wat met genetische modificatie te maken heeft, ook al is er geen wetenschappelijk verband tussen
beiden. Voedingsproducenten stopten in de late jaren ´90 daarom veelal met de productie van en het onderzoek
naar GGO-voedsel.
Na een lange pauze duiken er de laatste jaren toch weer hier en daar genetisch gemodificeerde microben op in de
voedingssector. In de VSA werd recent een gist gepatenteerd die bepaalde ongewenste aroma´s kan afbreken, en
daardoor uiterst interessant is voor de productie van wijn. De gist wordt sedert een jaar door een handvol
wijnmakers gebruikt in de VSA en Canada.
Geleidelijk lijkt de voedingsindustrie meer en meer vertrouwen te krijgen in de toepassingsmogelijkheden van
genetisch gemodificeerde microben. Zo krijgt onze onderzoeksgroep al aanvragen van brouwerijen om te
onderzoeken of via genetische modificatie bepaalde eigenschappen van gist zouden kunnen worden verbeterd.
Dat is dan vooral uit strategisch oogpunt - men is niet van plan deze gisten meteen commercieel te gebruiken,
maar men gaat er wel van uit dat GGO-microben binnen afzienbare tijd (terug) hun weg zullen vinden naar de
markt.
Wat zijn de mogelijkheden van genetisch gewijzigde microben? Welk onderzoek gebeurt er binnen ons labo aan
de faculteit?
De mogelijkheden van de GGO-technologie zijn haast onbegrensd. We kunnen microben maken die meer of
minder specifieke enzymen aanmaken, gezonde antioxidantia produceren, betere en volkomen natuurlijke
3
aromastoffen afscheiden, beter kunnen groeien op minderwaardige voedingsstoffen, en microben die kunnen
weerstaan aan stress.
Ook binnen onze faculteit gebeurt heel wat onderzoek om via genetische modificatie betere microben te
produceren. Zo is onze onderzoeksgroep volop bezig met de ontwikkeling van gisten met specifieke
eigenschappen voor de productie van bier, wijn, chocolade en bio-ethanol. Gisten die veel meer of veel minder
fruitige aromastoffen produceren, gisten die sterker of minder sterk aan elkaar kleven (flocculeren), gisten die
sneller of vollediger kunnen fermenteren, gisten die minder of meer alcohol produceren, en zelfs gisten die een
"genetische barcode" dragen en zo kunnen onderscheiden worden van andere gisten. Enkele van de gisten die op
natuurlijke wijze verbeterd werden verkocht aan bedrijven en worden nu reeds gebruikt voor de commerciële
productie van bier. De genetisch gewijzigde varianten blijven echter voorlopig uitsluitend gebruikt voor
onderzoek.
Het grootste struikelblok in het gebruik van GGO’s in de voedselproductie, is en blijft de publieke perceptie. Of het
nu draait om genetisch gemodificeerde gewassen of microben, de doorsnee consument blijft vrij wantrouwig t.o.v.
het zogenaamde “Frankenfood”. In de medische sector is het taboe van de GGO-technologie al deels doorbroken,
maar in de voedingssector loopt de evolutie trager dan verwacht. Misschien is dat nog niet eens zo erg, want
ondertussen krijgen we de tijd om de gevaren beter in te schatten en het beleid te verbeteren. Ondertussen
wachten enkele honderden GMO gisten met interessante industriële eigenschappen geduldig in de diepvriezers
van ons laboratorium.
Voor meer informatie over het onderzoek aan het laboratorium voor Genetica en Genomica o.l.v. Prof. Kevin
Verstrepen, zie www.kuleuven.be/verstrepen ,
4
Genetisch gemodificeerde gisten waarvan het gen voor aromaproductie gefuseerd werd met een gen
dat codeert voor een fluorescent proteïne (GFP). Dit zorgt ervoor dat het enzym dat instaat voor de
productie van aromastoffen groen oplicht, zodat we de activiteit en locatie in de cel kunnen bestuderen.
5
YPD Eth12%
YPD 15°C
SynCa (s) 37°C
pH 2,5 30°C
pH 3,5 37°C
YPSuc 41°C
YPMaltrio 30°C
YPSuc 30°C
YPMal 15°C
Plate Assay
Phenyl ethanol
Phenyl ethyl acetate
Ethyl decanoate
Ethyl octanoate
Ethyl hexanoate
Isoamyl alcohol
Butanol
Isoamyl acetate
Isobutanol
Propanol
Ethyl butyrate
Isobutyl acetate
Ethyl propionate
Ethyl acetate
Acetaldehyde
90
100
70
80
40
50
60
X5011
X5012
X5005
X5006
X5010
X5003
X5000
X5001
X5009
X1056
X1106
X1100
X1093
X8003
X8005
X8007
X1113
X8009
X8006
X8008
X2001
X5501
X1076
X1077
X1008
X1010
X1047
X6001
X6004
X6000
X1014
X1078
X1080
X1082
X1081
X1079
X4009
X4020
X4021
X4023
X4024
X4025
X4026
X4027
X4022
X4053
X4039
X4041
X1075
X7012
X4055
X7002
X7004
X1048
X1092
X1102
X8001
X1057
X1058
X1116
X1118
X1099
X1114
X1111
X1050
X1051
X1083
X1084
X1000
X1029
X1030
X1027
X4043
X1052
X4000
X4004
X4008
X4047
X5500
X4037
X4001
X4003
X5505
X5506
X5507
X2002
X2003
X2004
X2006
X2007
X7009
X7010
X7011
Grafische weergave van de verschillende eigenschappen van natuurlijke gisten. Elke rij bevat de
gegevens van een verschillende biergist. de stamboom links geeft de genetische verwantschap
(stamboom) van de gisten weer. De gekleurde vakjes geven verschillende eigenschappen van de gisten
weer, een geel vakje staat voor een lage score, terwijl een rodere kleur een hogere score representeert.
6
Dit soort analyse laat toe om gisten te selecteren met bepaalde wenselijke eigenschappen, en ook om
gisten te selecteren voor kruising en veredeling.
7