CRISPR-expert Hetty Helsmoortel legt in haar boek ‘De geknipte genen’ de wonderlijke biologie achter CRISPR uit, de techniek die de Nobelprijs voor Chemie heeft gekregen.
Misschien heeft u al eens gehoord over CRISPR. Het is een revolutionaire technologie die ons in staat stelt te ‘knippen en plakken’ in het DNA van om het even welk organisme. Ook dat van de mens. Met deze beperkte kennis zou ik u willen vragen om op de volgende vraag te antwoorden. Volg gerust gewoon uw buikgevoel.
‘Is CRISPR volgens u iets natuurlijks of iets onnatuurlijks?’
A) Iets natuurlijks
B) Iets onnatuurlijks
Mijn ervaring leert dat ongeveer de helft van de mensen ‘natuurlijk’ antwoordt, terwijl de andere helft het bij ‘onnatuurlijk’ houdt. Maar CRISPR op zich is wel degelijk iets natuurlijks. Anders gesteld: CRISPR komt voor in de natuur. De technologie die in 2015 door het vlakblad Science werd uitgeroepen tot doorbraak van het jaar, vindt haar oorsprong in de natuur. Het is een deel van het afweersysteem dat bacteriën gebruiken om zich te verdedigen tegen schadelijke virussen.
Eerst en vooral: kunnen virussen bacteriën aanvallen? Absoluut, ze zijn zelfs elke dag verantwoordelijk voor de vernietiging van naar schatting 15 tot 40% van alle bacteriën in de oceanen. En toch worden virussen door biologen niet als volwaardige levende wezens beschouwd. Een van de definiërende kenmerken van leven is immers: jezelf kunnen voortplanten. En dat kunnen virussen niet. ’t Is te zeggen, ze kunnen het niet zelf.
Een virus is namelijk niets meer dan een streng DNA (of soms RNA), omgeven door een eiwitmantel. Een propje genetische informatie met een beschermend pantser errond. We weten intussen dat ongeslachtelijke voorplanting sowieso een verdubbeling van het DNA inhoudt. Maar wie of wat zou bij een virus de twee DNA-strengen uit elkaar moeten halen? Er is namelijk geen enkele machinerie voorhanden om dat te doen. En waar zou het zijn bouwstenen A, C, T en G vandaan halen om de strengen te verdubbelen? Ook die zijn nergens te bespeuren. Maar vermits ook u soms meermaals per jaar met virussen in aanraking komt, moeten ze daar wel iets op gevonden hebben. Zelf geen ingrediënten in huis om te koken? Dan gaan we toch gewoon bij een ander eten!
Een virus kan zichzelf enkel vermenigvuldigen door zijn DNA binnen te brengen in een gastheercel. Dat kan een menselijke cel zijn, maar net zo goed een bacterie. Virussen die bacteriën infecteren worden bacteriofagen genoemd en worden vaak afgebeeld als een soort maanlanders, omdat ze net als een ruimtecapsule landen op het oppervlak van de cel die ze willen infecteren. Daarna spuiten ze hun DNA in de bacterie in, terwijl de eiwitmantel buiten blijft.
Voortplanting op een ander
Na de inspuiting van het viraal DNA zit er plots een ‘vreemd’ stuk genetische informatie in een voor de rest goed werkende bacteriecel. Maar door het universele karakter van al het DNA op aarde kan een gastheercel met zo’n stuk virus-DNA best wel aan de slag. De manier waarop DNA vermenigvuldigd, gelezen en vertaald wordt is immers in alle organismen ter wereld gelijk. Stel je voor de eenvoud even voor dat het viraal DNA drie belangrijke instructies bevat, die perfect door de bacterie kunnen uitgelezen worden. Ten eerste: kopieer dit stukje virus-DNA duizend keer. Wat doet een bacterie? Die doet dat gewoon. Ten tweede: maak duizend eiwitmantels. Ook dat doet de bacterie zonder morren. En ten derde: steek elk stukje DNA in een afzonderlijke eiwitmantel.
En daar sta je dan, als bacterie. Plots hebben zich in de enige cel die je groot bent duizenden virussen opgehoopt, zonder dat je er erg in had. Zomaar even jouw machinerie gekaapt om zichzelf te vermenigvuldigen. Dat houdt zo’n bacterie natuurlijk niet lang vol. Vergelijk het met duizenden ratten die zich in je huis bevinden. Een normale werking wordt simpelweg onmogelijk. Dat geldt ook voor de bacterie: de cel spat uiteen en duizenden viruspartikels komen vrij in de omgeving. Om wat te gaan doen? Simpel, landen op naburige cellen om ook die te infecteren.
Virussen zijn er trouwens in allerlei maten en gewichten. Niet alle virussen laten de cel bijvoorbeeld openbarsten. Het is ook mogelijk dat nieuwe virussen ontsnappen uit de gastheercel zonder die te laten openspatten. Niet zo stom gezien natuurlijk, want op die manier behoud je als virus de fabriek die al het werk voor je doet. Laat je de gastheercel daarentegen uit elkaar spatten, dan ben je ook meteen je hele machinerie kwijt. Daarnaast kan het DNA van virussen ofwel vrij rondzweven, ofwel ingewerkt worden in het DNA van de gastheercel. Denk bijvoorbeeld aan het hiv-virus, dat zijn DNA tussen het DNA van witte bloedcellen kan wringen en daar soms zelfs jaren stilletjes kan zitten wachten. Ten slotte zijn ook niet alle virussen maanlanders die hun eiwitmantel buiten laten. Sommige versmelten met de cel die ze willen infecteren, nog andere worden erdoor opgegeten. Allemaal met uiteindelijk één doel voor ogen: het viraal DNA binnenloodsen in de gastheercel en de machinerie kapen om zich te (laten) vermenigvuldigen. Na miljoenen jaren evolutie hebben virussen behoorlijk wat verschillende mogelijkheden gevonden om dat voor elkaar te krijgen.
Weerstand in de fabriek
Maar bacteriën laten zich natuurlijk niet zomaar doen. Miljoenen jaren evolutie hebben er óók voor gezorgd dat ze af en toe met een antwoord op de proppen kunnen komen. Laten we even een kijkje nemen in een bacterie die zonet een aanval van een binnengedrongen virus heeft overleefd. Dat ging overigens niet zonder slag of stoot. De kans was behoorlijk groot dat de bacterie de infectie niet zou overleven en uit elkaar zou spatten. Maar dat is niet gebeurd, en de overlevende wordt hiervoor beloond met een wel héél speciaal cadeau: een stukje van het virus-DNA.
Bacteriën kunnen inderdaad stukjes viraal DNA bijhouden wanneer ze de infectie overleven, als een soort trofee. Dat lijkt misschien banaal, maar voor bacteriën is het van onschatbare waarde. Het is namelijk zo dat alles wat later de bacterie binnendringt en identiek is aan dat bijgehouden stukje, genadeloos aan flarden wordt geknipt. Als een virus van hetzelfde type dus opnieuw zijn DNA in de bacterie spuit, dan wordt dit in stukken geknipt nog vóór het virus enige schade kan aanrichten. Allemaal omdat de bijgehouden trofee zijn evenbeeld herkent. Geen duizend kopieën, geen duizend eiwitmantels, geen duizend assemblages, want de instructies daarvoor worden vernietigd lang voor er enige machinerie in werking kan treden. Doordat de bijgehouden stukjes DNA deel worden van de genetische informatie van de bacterie, kan deze afweer ook eenvoudig doorgegeven worden naar de volgende generaties.
Ik las ooit op internet een treffende vergelijking: beschouw het afweersysteem als een winkelier die foto’s bewaart van kleine criminelen die vroeger iets uit zijn winkel gestolen hebben. De eerste keer is zo’n kruimeldief moeilijk te vatten. De winkeleigenaar is niet helemaal zeker, of komt pas écht te weten dat er iets gestolen is als zijn kassa of voorraad niet klopt en hij na sluitingstijd de camerabeelden in detail heeft kunnen bekijken. Veel dieven komen ermee weg, maar een enkeling zal goed op beeld staan. En dan is een printscreen snel gemaakt en achter de toonbank gelegd. Wanneer zo’n boefje een week later opnieuw de winkel binnenkomt, wordt die meteen herkend door de winkelier aan de hand van de foto’s. Van zodra de kruimeldief nog maar zijn/haar hoofd opnieuw door de deur steekt, kan de winkeleigenaar meteen ‘aanvallen’ en verdere schade snel en efficiënt voorkomen.
Het zesletterwoord CRISPR
Metaforen zijn leuk, maar ik wil u toch de moleculaire biologie achter het systeem niet onthouden. Omdat ze zo wonderbaarlijk mooi is én meteen zal verklaren waar het zesletterwoord CRISPR nu precies vandaan komt. Maar vooral omdat ik ervan overtuigd ben dat een goed begrip van de werking van een technologie noodzakelijk is om de toepassingen ervan te kunnen beoordelen.
Oké, een bacterie kan dus een stukje viraal DNA bijhouden. Hoe gebeurt dat precies? Wel, de kleine stukjes van het virus worden tussen het DNA van de bacterie geschoven. De schematische bacterie op onderstaande tekening is vroeger bijvoorbeeld al eens geïnfecteerd door virus A en virus B. Deze staan hier uiteraard symbool voor verschillende soorten virussen, die van elkaar verschillen in de lettervolgorde van hun DNA. Die twee soorten moeten alvast niet meer proberen om de bacterie later nog eens binnen te dringen. Maar op dit moment wordt de bacterie voor een derde keer onder vuur genomen, dit keer door virus C. Gelukkig voor mijn verhaal overleeft de bacterie ook deze infectie, en bouwt hij opnieuw een stukje van het ingespoten virus-DNA in zijn eigen genetische code in.
De opslag van dat viraal DNA gebeurt niet eender waar. Die vijf zwarte ruitjes staan op de figuur namelijk niet voor niets getekend. Het zijn herhalingen (Engels: Repeats) van telkens dezelfde DNA-sequentie. Die sequentie is redelijk kort (Engels: Short), meestal tussen de 23 en 47 basenparen. En die 23 à 47 letters hebben bovendien een speciale eigenschap: ze kunnen zowel van links naar rechts als van rechts naar links op dezelfde manier gelezen worden. Het zijn dus eigenlijk palindromen (Engels: Palindromes). Lepel, kok, meetsysteem, koortsmeetsysteemstrook, u kent ze wel. Maar dan met DNA: GTTTCGAAAC bijvoorbeeld. Ho wacht, dat is toch geen palindroom? Toch wel. Plak er – van rechts naar links dan – eens de parallelle streng onder? Dan krijgen we:
GTTTCGAAAC
CAAAGCTTTG
Hetzelfde in beide richtingen, exact. Intussen weten we over de ‘zwarte ruitjes’ dat ze niet altijd perfecte palindromen zijn. Ze kunnen niet allemaal precies in twee richtingen gelezen worden, al zit er vaak wel een zekere vorm van symmetrie in. Toch ontleent CRISPR zijn ronkende naam aan exact deze eigenschap, die vrij vroeg in het onderzoek naar het afweersysteem werd ontdekt. Want de laatste drie letters van CRISPR zijn de afkorting van Short Palindromic Repeats. De zwarte ruitjes zijn dus korte palindromische herhalingen van DNA, waar dingen kunnen tussengeschoven worden.
En de eerste drie letters? Wel, de C staat voor Clustered, omdat die korte herhalingen niet kriskras verspreid liggen in het DNA van een bacterie, maar redelijk dicht bij elkaar te vinden zijn. In clusters dus eigenlijk. De R en de I ten slotte staan voor Regularly Interspaced. Ook dat klinkt plots niet meer als Chinees voor u: de herhalingen zijn inderdaad op regelmatige plaatsen onderbroken. Door? Het viraal DNA van indringers die vroeger al eens zijn langs geweest.
CRISPR? Heel simpel: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Of ook: clusters van korte stukjes repetitief DNA (de zwarte ruitjes), waar op verschillende plekken virus-DNA kan worden tussen geschoven. CRISPR is dus – van oorsprong – geen revolutionaire technologie, maar simpelweg een plaats in het DNA van bacteriën. De CRISPR-technologie waarover ik u in dit boek vertel, is dus in wezen helemaal geen menselijke uitvinding. Het is een prachtig, geniaal, natuurlijk mechanisme dat een cruciale rol speelt in het afweersysteem van bacteriën. En miljoenen – misschien wel miljarden – jaar oud is. Dat wetenschappers hebben ontdekt hoe dit vernuftig proces in elkaar zit, verdient al een pluim op zich.
De GPS en de schaar
Het is natuurlijk niet door zomaar een beetje DNA-stukjes te gaan bijhouden, dat de bacterie beschermd is tegen een nieuwe aanval van hetzelfde soort virus. Daarvoor is net iets meer moleculair biologische activiteit nodig. Maar wat weten we intussen over stukken DNA? Die kunnen overgeschreven worden in RNA, juist! En dat is ook het geval voor het viraal DNA dat in de bacterie vervat zit. De machinerie van de bacterie maakt er namelijk RNA-kopieën van. Dat zijn de kleine slierten op onderstaande figuur. En deze stukjes RNA hebben een waanzinnig belangrijke functie: het zijn een soort kleine GPS-systemen. Daarom worden ze ook gids-RNA genoemd.
Elk stukje RNA gaat zich namelijk binden met een Cas9-eiwit. ‘Cas’ is de afkorting van CRISPR-associated. Daarom spreekt men ook vaak over de CRISPR-Cas- of CRISPR-Cas9-technologie. En Cas9 is een eiwit met een wel heel specifieke functie: het kan DNA in stukken knippen. Niet zomaar eender welk DNA, dat zou behoorlijk nefast zijn voor de bacteriecel, zeker als het eiwit plots lukraak de eigen genetische code zou beginnen vernietigen.
Nee, het is zo dat de stukjes RNA – meestal twintig letters lang – het Cas9-eiwit begeleiden tot waar het exact moet zijn. Een soort GPS of speurhond dus. Dit RNA, met het Cas9-eiwit op zijn rug, speurt voortdurend de bacteriecel af naar kopieën van zichzelf. Vindt hij niets, dan is er geen enkel probleem. Dat wil simpelweg zeggen dat er geen viraal DNA in de bacteriecel te bekennen is. Maar! Wordt de bacterie plotsklaps aangevallen door een type virus waardoor het eerder al eens is geïnfecteerd, dan is er een exacte match met het kleine stukje RNA. Als gevolg van die match verandert het Cas9-eiwit van vorm en knipt het het DNA van de indringer genadeloos aan flarden. Op een heel specifieke plaats het DNA doorknippen dus. Weg infectie, en waag het niet je hier nog eens opnieuw te vertonen.
De geboorte van een revolutionaire technologie
Ten slotte gaat dit verhaal nog een enorme stap verder. Alsof het ontrafelen van dit vernuftig stukje evolutie al niet straf genoeg was, heeft de mens het hele systeem in 2012 naar zijn hand weten te zetten. Want stel nu eens dat wij als mensen zélf kunnen bepalen waar het Cas9-eiwit naartoe gaat. Dat we met andere woorden zelf een kort stukje RNA in het labo kunnen aanmaken, dat een exacte kopie is van de plaats in het DNA waar we graag iets zouden veranderen. Zou dat kunnen? Zou dat lukken? Zou Cas9 ook willen knippen buiten bacteriën, in dierlijk of menselijk DNA bijvoorbeeld? En vooral, zouden wij zélf aan de hand van artificieel RNA kunnen sturen waar het dan exáct moet knippen?
Het antwoord op al deze vragen is volmondig ja. Wetenschappers zijn er inderdaad in geslaagd om een artificiële methode te ontwikkelen die twee dingen in eender welke cel kan binnenbrengen: het Cas9-eiwit (‘de schaar’) én een RNA-kopie van gelijk welk stuk DNA dat in stukken moet worden geknipt (‘de GPS’). Zo’n korte RNA-sequentie is trouwens bijzonder eenvoudig te bestellen bij gespecialiseerde bedrijven, meestal ligt ze een dag later al in de brievenbus van het labo. Knippen in DNA kan dus plots een stuk sneller, goedkoper en efficiënter dan vroeger. In om het even welk organisme bovendien; CRISPR beperkt zich niet langer tot het gevecht tussen virussen en bacteriën. Men zegt soms al lachend dat het eerste organisme waarin CRISPR níét werkt nog met CRISPR gemaakt moet worden.
Maar wat is nu precies het nut om in DNA van organismen te gaan knippen? We willen toch geen extra schade berokkenen? Wel, hierin zit precies de vindingrijkheid. Nadat een doelbewuste dubbelstrengige knip is gegeven op een héél specifieke plaats, kan er heel wat gebeuren. Veel cellen hebben namelijk de neiging én de nodige methodes om die breuk te willen herstellen, en daar kan handig gebruik van gemaakt worden. Heel vaak probeert de cel de boel terug aan elkaar te lijmen door er lukraak wat letters tussen te plakken. Daardoor treedt soms een fout op in het overeenkomstige eiwit, maar dat is exact wat de bedoeling is: mutaties aanbrengen op specifieke plaatsen en zo de kenmerken van het organisme veranderen. Daarnaast kan er ook (samen met de GPS en de schaar) een nieuw gen ingebracht worden dat de cel kan gebruiken om de opgelopen schade te herstellen en de eindjes terug aan elkaar te knopen. Vergelijk het met een gebroken ketting die gerepareerd wordt door er extra schakels tussen te zetten. Die schakels kunnen organisme-vreemd zijn, of een correcte versie van een beschadigd gen, of een gen dat licht geeft, noem maar op.
U raadt het al, de mogelijkheden van deze kniptechnologie zijn quasi eindeloos, zeker in combinatie met het natuurlijke plakmechanisme dat cellen gebruiken om de schade te herstellen. Daarom wordt CRISPR door sommigen eerder vergeleken met een Zwitsers zakmes dan met een schaar. Of met de zoek-en-vervangfunctie in Word, waarbij eenvoudig een woord of zin kan opgespoord worden en vervangen kan worden door iets anders. CRISPR heeft het potentieel om een aantal problemen op te lossen waarmee de mens in de 21e eeuw geconfronteerd wordt. Afweercellen uit het menselijk lichaam zodanig aanpassen dat ze kankercellen kunnen aanvallen en vernietigen, planten beter bestand maken tegen hitte en droogte door klimaatverandering, het hiv-virus uit immuuncellen wegknippen en zo monddood maken, malaria uit de wereld helpen, biobrandstof uit organismen halen, organen kweken om het tekort aan orgaandonoren op te lossen, enzovoort, enzovoort.
Dat vind ik persoonlijk trouwens het mooie aan biotechnologie: dat we natuurlijke processen proberen te doorgronden en er met wat menselijk vernuft een technologie van kunnen maken. De intense schoonheid van biotechnologie zit misschien wel in het plooien van de natuur om er problemen uit diezelfde natuur mee te bestrijden. Een van de belangrijkste wetenschappelijke verwezenlijkingen uit de 20e eeuw is daar trouwens een mooi voorbeeld van. Bij toeval ontdekte Alexander Fleming dat penicilline, een stof die wordt uitgescheiden door de schimmel Penicillium notatum, bacteriën kan doden. De mens ging vervolgens aan de slag met dat systeem, en het allereerste antibioticum was geboren. Maar net hierin schuilt ook de kiem van veel verzet tegen biotechnologische toepassingen: als de mens de natuur gebruikt om de natuur te veranderen, wat is dan nog natuurlijk? Dat de mens zélf een product is van de natuur, maakt het er niet eenvoudiger op. Sommige toepassingen van CRISPR zijn problematischer van aard. Had He Jiankui het DNA van Lulu en Nana mogen aanpassen in een poging hen minder vatbaar te maken voor het hiv-virus? Loeren designerbaby’s nu echt om de hoek? Wat met biowapens? Of onbedoeld knippen op plaatsen waar het niet de bedoeling was? CRISPR heeft overduidelijk een waanzinnig potentieel, maar er gaan ook heel wat technische, biologische en ethische kwesties mee gepaard. Steve Jobs liet ooit optekenen dat de grootste innovaties van deze eeuw zich op het kruispunt van biologie en technologie zullen bevinden. Hij zou wel eens gelijk kunnen hebben. Al brengen die innovaties ook allerhande ethische dilemma’s met zich mee.
Fout opgemerkt of meer nieuws? Meld het hier