Knutselen aan de DNA-code met CRISPR/Cas9

Biotechnologen kunnen gewassen verbeteren door zwakke stukken DNA eruit te knippen en die te vervangen door ‘gezond’ soorteigen DNA. beeld iStock

De term CRISPR/Cas is de laatste maanden geregeld in het nieuws. Nee, het gaat niet over een nieuwe krokante aardappelsnack. Wat is het wel? En wat kunnen wetenschappers ermee?

Minister Carola Schouten (Landbouw) maakte eind vorige maand bekend dat ze aan de slag wil met een „lichte vorm” van genetische modificatie. Haar ministerie gaat met bedrijven, boeren en de Universiteit Wageningen onderzoeken wat de mogelijkheden zijn om te experimenteren met de zogeheten CRISPR/Cas-methode. Opmerkelijk, want het Europese Hof van Justitie gooide onlangs de deur juist dicht voor deze populaire techniek, door die te bestempelen als genetische manipulatie.

Met name de Nederlandse en Duitse landbouwsector vechten die beslissing aan. Met CRISPR/Cas kunnen veredelingsbedrijven gewassen heel gemakkelijk resistenter maken tegen ziekten en plaaginsecten. Dat is belangrijk, omdat de EU ook het gebruik van bestrijdingsmiddelen steeds meer aan banden legt.

Kastomaat

Het gaat met name om de CRISPR/Cas9-methode (zie ”Knippen en plakken”). Die biedt voor de land- en tuinbouw ongekende mogelijkheden. Biotechnologen kunnen gewassen verbeteren door zwakke stukken DNA eruit te knippen en die te vervangen door ‘gezond’ soorteigen DNA. Of bijvoorbeeld wilde tomaten razendsnel ombouwen tot rijkdragende kastomaten.

De wilde gelige kerstomaatjes die Zuid-Amerikanen 2500 jaar geleden teelden, staan aan de basis van het brede tomatenassortiment van vandaag de dag. Maar met CRISPR/Cas9 verloopt die veredeling veel sneller. Een Braziliaans team paste zo onlangs het DNA van een wilde tomatensoort aan. De vrij kleine vruchten kregen daardoor een vijf keer hoger gehalte aan de helderrode kleurstof lycopeen. De Chinees Cao Xu knutselde met zijn team aan een ander deel van het DNA van de wilde tomaat. Zij wisten het vitamine C-gehalte in de bladeren sterk op te schroeven.

Het team van Zachary Lippman, hoogleraar en onderzoeksleider aan Cold Spring Harbor Laboratory (VS), heeft op dezelfde manier ananaskersen geschikt gemaakt voor grootschalige teelt.

Via klassieke veredeling –door het kruisen van gewassen– kost het jaren om zo’n resultaat te bereiken; in het lab een paar uur. Deze techniek had de mensheid duizenden jaren van kruisen en veredelen kunnen besparen, schreven de onderzoekers vorige maand in het tijdschrift Nature Biotechnology.

Reparatiemechanisme

Hoewel wetenschappers veel kunnen met de CRISPR/Cas9-methode, is deze niet foutloos of probleemloos. Uit een eerdere publicatie in juli in Nature Biotechnology blijkt dat het DNA-reparatiemechanisme na afloop van de modificatie soms hele stukken ‘gezond’ DNA weggooit.

Ook zijn er onderzoeken gepubliceerd waaruit blijkt dat het Cas9-eiwit het DNA verknipt op plaatsen waar het niet hoort. De redactie van Nature Methods trok een van die onderzoeken in april echter weer in.

Maar ook daaraan wordt gewerkt. Wetenschappers van de University of Texas (VS) publiceerden in augustus in het tijdschrift Molecular Cell de eerste resultaten met de CRISPR/Cas12a-methode. Deze is nog preciezer en effectiever dan de veelgebruikte CRISPR/Cas9-methode. Simpelweg doordat het Cas12a-eiwit minder knipfouten maakt dan Cas9.

„Al met al is CRISPR/Cas9 een enorm belangrijk stuk gereedschap geworden. Vooral in het medische onderzoek”, stelde Joseph Jacobson, hoogleraar moleculaire machines aan het Amerikaanse Massachusetts Institute of Technology (MIT), in oktober in het tijdschrift Science Advances (Zie ”Aanpak van ziekten”). „En de techniek zal op termijn ook grote gevolgen hebben voor de landbouw, de teelt van biobrandstoffen en voedselveiligheid.”

Zendingswerk

Om het Nederlandse onderzoek naar CRISPR/Cas van de grond te krijgen, heeft minister Schouten nog heel wat zendingswerk te doen binnen de EU. Met het huidige Europese verbod is er geen enkele ruimte voor experimenten zoals minister Schouten voorstelt, verklaarde jurist Kai Purnhagen van Wageningen Universiteit vorige week. „Die techniek kunnen we de komende tien jaar wel vergeten”, stelde directeur Jan van Hoogen van aardappelhandel Agrico zaterdag op de website akkerwijzer.nl.

De tijd dringt. Veredelingsbedrijven verplaatsen hun onderzoeksafdelingen naar landen buiten Europa, of overwegen dat. Wageningen Universiteit loopt daardoor onderzoeksopdrachten mis met de veredelingstechniek CRISPR/Cas. Purnhagen ziet nog één lichtpuntje: „Wellicht zou Nederland vrijstelling kunnen krijgen van die wetgeving als de met CRISPR/Cas ontwikkelde producten niet in het milieu of op de voedselmarkt terecht komen.”

----

Knippen en plakken

Met de CRISPR/Cas9-methode kunnen biotechnologen tamelijk eenvoudig de DNA-code veranderen. Wetenschappers keken die af van een truc die bacteriën gebruiken om virussen te slim af te zijn. Virussen gebruiken bacteriën om zich voort te planten: ze brengen hun DNA in de bacterie en gebruiken die om nog meer virussen te produceren.

Zo’n 40 procent van de bacteriën kan dit virus-DNA herkennen met behulp van een soort ingebouwde databank. Dat werkt als volgt: in het bacterie-DNA zijn stukjes virus-DNA ingebouwd die de bacterie heeft bewaard van virusaanvallen. Deze worden geflankeerd door zogeheten palindroom-DNA, stukjes DNA-code die alleen zijn bedoeld om het virus-DNA te onderscheiden van het eigen bacterie-DNA. Hier komt de naam CRISPR vandaan: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats – een enorme DNA-bibliotheek van steeds dezelfde stukjes eigen DNA met daartussen stukjes opgeslagen virus-DNA.

Herkent de bacterie ingebracht virus-DNA, dan zet deze een verdedigingsmechanisme in om dat vervolgens te vernietigen. Dat gaat als volgt: de bacterie reproduceert een stukje van het opgeslagen virus-DNA. Dat stukje hecht zich aan een eiwit dat in staat is om een knip aan te brengen in het DNA, het zogeheten Cas9. Op het moment dat het gereproduceerde stukje bacterie-DNA koppelt aan het virus-DNA, knipt Cas9 het virus-DNA in tweeën, en maakt het onschadelijk.

Het lukte wetenschappers in 2013 om Cas9 zo aan te passen dat elk gewenst stukje DNA eraan geplakt kan worden. Met CRISPR/Cas9 kunnen genetici heel gericht een stukje DNA verwijderen om daar vervolgens een stukje nieuw DNA tussen te plaatsen.

----

Aanpak van ziekten

CRISPR/Cas9 is niet alleen geschikt voor het aanpassen van planten-DNA, ook op dieren wordt de methode volop toegepast. Zo genas een team van het Royal Veterinary College in Londen in 2010 al Cavalier King Charles Spaniels van spierzwakte die op termijn hart- en longfalen zou veroorzaken.

Het tijdschrift Science meldde onlangs dat honden zijn genezen van spierdystrofie. „Toen we voor het eerst over CRISPR lazen, besloten we de proef op de som te nemen bij een van de lastigste spierziektes. In cellen van patiënten werkte de methode. Daarna hebben we die getest bij muizen. Vervolgens vroegen we ons af of het ook bij een groter dier zou werken”, laat teamleider Eric Olson van het Southwestern Medical Center van de University of Texas weten. De resultaten zijn volgens de Amerikaan veelbelovend. En wat op grote dieren werkt, kan op termijn ook worden gebruikt om chronische ziekten bij mensen te genezen.

Zelfs besmettelijke ziekten als malaria kunnen met CRISPR/Cas9 worden aangepakt. Het team van parasitoloog Andrea Crisanti van het Imperial College Londen maakte in het lab een volledige populatie muggenvrouwtjes (anopheles gambiae) onvruchtbaar. Het duurt zo’n 7 tot 11 generaties tot alle vrouwtjesmuggen in een populatie onvruchtbaar zijn geworden. De aanpak van de mug kan jaarlijks zo’n half miljoen Afrikaanse en Aziatische malariaslachtoffers schelen. De Britse wetenschappers publiceerden het onderzoek in september in Nature Biotechnology.

De modificatiemethode biedt ook perspectief voor bijvoorbeeld meer dan 3000 genetisch bepaalde ziekten die worden veroorzaakt door slechts één verkeerd geplaatste letter in de DNA-code, zoals kleurenblindheid of de ziekte van Huntington. Wanneer wetenschappers in staat zijn die ene letter te vervangen, kunnen ze dus heel wat erfelijke ziekten genezen.

----

Ethische dilemma’s

De bijna onbegrensde mogelijkheden van CRISPR/Cas9 zullen ongetwijfeld nieuwe ethische dilemma’s opwerpen. Dat begint al met het gesleutel aan en vervolgens de vernietiging van menselijke embryo’s.

Op termijn zullen ethische barrières worden geslecht. Wat te denken van het feit dat muizen zijn geboren uit twee vaders? Al eerder waren er muisjes uit twee moeders ter wereld gekomen.

Voor de voortplanting van zoogdieren zijn in principe een mannelijke en een vrouwelijke geslachtscel nodig. Wanneer deze samensmelten ontstaat niet alleen een embryo, maar treedt ook een cascade aan gebeurtenissen op. Innesteling, placentavorming en groei komen op gang. Voor sommige gebeurtenissen komt een gen uit de zaadcel tot expressie, voor andere een gen dat zich in de eicel bevindt.

Chinese onderzoekers voegden met CRISPR/Cas9 aan een spermacel de speciale genen van een eicel toe. Samen met een spermacel transplanteerden ze de gemodificeerde spermacel in een lege eicel. Van de duizend embryo’s hielden ze tenslotte twaalf levende muisjes over, die maximaal 48 uur leefden.

Als deze voortplantingstechniek op termijn probleemloos werkt bij dieren, zal deze wellicht ook beschikbaar komen voor mensen. Homo- en lesbostellen kunnen dan ‘eigen’ kinderen krijgen.