Letterlijk alle leven zoals wij dat op aarde kennen, kent DNA dat uit vier bouwstenen bestaat: adenine, guanine, thymine en cytosine. Nu, voor het eerst in vele miljarden jaren, is er een bacterie ontstaan waarvoor dat niet geldt. Wat bezielt de onderzoekers? Wel, omdat een afwijkend DNA opmerkelijk prettige gevolgen heeft…
DNA-letter veranderd
DNA bestaat uit een miljoenen eenheden lange reeks van paren van deze vier bouwstenen voor, die in groepjes van drie voor bepaalde aminozuren coderen. Deze aminozuren vormen weer de bouwstenen voor eiwitten, waar levende wezens voor het grootste deel uit bestaan. De vier bouwstenen komen altijd in paren van twee (adenine + thymine en guanine + cytosine) voor, die onderling gewisseld kunnen worden (de zogeheten baseparen). De onderzoekers hebben één van deze vier basen, thymine, vervangen door de stof 5-chlorouracil. Uracil is de base die in RNA (de evolutionaire voorganger van DNA, denken onderzoekers; RNA is essentieel in cellen als boodschapperstof ) voorkomt in plaats van het DNA-alternatief thymine. Omdat 5-chlorouracil zo sterk lijkt op uracil (er is alleen een waterstofatoom vervangen door een chlooratoom) , is de stof dodelijk giftig voor alle leven.
Escherichia coli. Kunnen we nu eindelijk een veilige variant ontwikkelen?
Dodelijk gif wordt vitamine
De Duitse, Belgische en Franse onderzoekers maakten bij hun werk gebruik van een techniek, ontwikkeld door onderzoeksleider Rupert Mutzel van de Vrije Universiteit Berlijn en die veel lijkt op wat Felisa Wolfe-Simon deed met de arsenicumbacterie. Grote populaties bacteriën worden gedurende lange tijd gekweekt in aanwezigheid van een giftige chemische stof – hier 5-chlorouracil – in concentraties die net niet dodelijk zijn. Op deze manier selecteerden ze de bacteriestammen die in staat zijn de stof te overleven. In reactie hierop wordt de concentratie van de giftige stof opgevoerd, waardoor de selectiedruk constant blijft. Hiervoor werd een E. colistam (u weet wel, van EHEC) gebruikt die zelf niet in staat zijn de stof thymine te produceren. Naarmate de concentratie van de stof 5-chlorouracil werd opgevoerd, werd de bacterie als het ware gedwongen om 5-chlorouracil te gebruiken in plaats van thymine. Na ongeveer duizend generaties bacteriën (bij de mens zou dat ongeveer twintig- tot dertigduizend jaar geduurd hebben, bij E.coli bacteriën duurt dat ongeveer twee weken) kregen de onderzoekers zo een E-colivariant die niet meer van thymine leeft, maar van 5-chlorouracil. Wat ooit een dodelijk gif was, is nu absoluut noodzakelijk voor de bacterie geworden om in leven te blijven.
Hiervoor deden zich de nodige ingrijpende mutaties voor in het DNA van de E.coli bacterie. Deze mutaties worden in vervolgstudies bestudeerd.
Genetische manipulatie kan kunstmatige plagen opleveren
Een groot gevaar bij genetische manipulatie is dat genetisch gemanipuleerde organismen hun genen overdragen aan andere organismen in de vrije natuur. Een berucht voorbeeld zijn genetisch gemanipuleerde gewassen die resistent zijn tegen bepaalde onkruiddoders. Er zijn gevallen bekend waarbij deze gewassen zich kruisten met wilde verwanten. Er ontstonden zo superonkruiden waarbij het herbicide niet meer werkte. Bij bacteriën is dit probleem nog groter. Bacteriën doen namelijk aan “bacterieseks” waarbij de ene bacterie genetisch materiaal injecteert in een andere bacterie. Soms zelfs van een totaal ander geslacht. Zo springen resistenties tegen bepaalde antibiotica snel over van de ene bacteriesoort naar de andere.
In laboratoria wordt gewerkt aan “superbacteriën” die veel beter zijn dan natuurlijke bacteriën in het energie halen uit bepaalde sto9ffen. Uiteraard is het laatste wat je wil dat die in de vrije natuur terecht komen. Deze bacteriën zouden hun DNA aan wilde bacteriën kunnen overdragen en zo in principe verwoestende plagen kunnen veroorzaken. Denk aan bacteriën waarmee uit de houtbestanddelen lignine en cellulose ultraefficiënt biobrandstof geproduceerd zou worden. In principe kan een dergelijke bacterie onze bossen in plassen benzine veranderen. Geen prettig vooruitzicht. Omdat bacteriën zo extreem klein zijn, is het onmogelijk om te voorkomen dat er af en toe genetisch gemanipuleerde bacteriën buiten het laboratorium terecht komen.
Synthetisch DNA voorkomt superbacterie
Synthetisch DNA kan dit probleem oplossen. Bacterieseks werkt uiteraard niet meer als het DNA van synthetische bacteriën fundamenteel anders is dan dat van normale bacteriën. Bacterieseks heeft dan een nogal dodelijk gevolg voor de sekspartner. Ook komt de stof 5-chlorouracil niet van nature voor, alleen als het in een laboratorium wordt toegediend. Erg ver zal het genetisch gemanipuleerde organisme niet komen: zodra het zich vermenigvuldigt sterft het, omdat het DNA niet gekopieerd kan worden. Hiermee is genetische manipulatie dus essentieel veilig geworden.
Bronnen:
Bacterium Engineered With DNA in Which Thymine Is Replaced by Synthetic Building Block, ScienceDaily, 2011
Philippe Marlière, Julien Patrouix, Volker Döring, Piet Herdewijn, Sabine Tricot, Stéphane Cruveiller, Madeleine Bouzon, Rupert Mutzel. Chemical Evolution of a Bacterium’s Genome. Angewandte Chemie International Edition, 2011
