Moderne technieken ontwikkelen zich razendsnel. We kunnen nu de meest complexe DNA’s analyseren tot op het niveau van de individuele basenparen, kennis die ons zal helpen de voedselvoorziening in stand te houden in een tijd van klimaatverandering. En door recente ontwikkelingen krijgen we steeds meer technieken tot onze beschikking die weliswaar gebruik maken van deze kennis, maar strikt genomen geen genetische modificatie zijn. Hierover ontbrandt vanzelfsprekend een nieuwe strijd. In Europa is de politiek op deze terreinen vleugellam, terwijl de rechter een behoudend standpunt inneemt.
Hans Tramper is emeritus-hoogleraar Bioprocestechnologie Wageningen Universiteit en reflecteert in een aantal essays op de geschiedenis van zijn vakgebied. Zijn stukken werden tot nu toe gepubliceerd op 18 juni, 30 juni, 11 juli, 22 juli, 19 augustus, 10 september, 21 september, 30 september, 10 oktober, 31 oktober en … 2018.
Drie toekomstbepalende recente ontwikkelingen springen eruit, te weten next generation sequencing (NGS), RNA-interferentie (RNAi) en Novel Plant Breeding Techniques (NPBTs). Een mooi en educatief boek over plantenveredeling van gewassen in het algemeen is uitgegeven door het Vlaams Instituut voor Biotechnologie (VIB). Het heet Van plant tot gewas: Het verleden, heden en de toekomst van plantenveredeling. Je kan het als pdf downloaden. Ik heb er voor het schrijven van dit deel graag gebruik van gemaakt. De NPTSs bespreek ik in Deel 5 van dit Essay.
DNA-volgordes bepalen
NGS is de huidige techniek waarmee men erfelijke DNA-codes ontrafelt, spelt als het ware. Het mooiste voorbeeld is het menselijk genoom. Tientallen laboratoria over de hele wereld werkten vijftien jaar samen aan het in kaart brengen van de volgorde van de nucleotiden. In 2000 is het ‘officieel’ af, maar veel meer dan een kladje is het dan eigenlijk nog niet. Drie miljard basenparen, de totale kosten bijna drie miljard dollar, dat wil zeggen een dollar per basenpaar. Met recente ontwikkelingen duurt het nu, anno 2018, duurt het dagen dan weken om een individueel humaan genoom te sequensen. De duizend dollar grens is al enkele jaren geleden gepasseerd. Bedrijven sequensen al individuele menselijke genomen voor minder dan 1000 dollar, oftewel voor minder dan 33 dollarcent per miljoen basenparen. En de snelheid van sequensen neemt nog steeds snel toe.
De recente ontwikkelingen van het razendsnelle, betaalbare sequensen van genomen bieden ongekende mogelijkheden. Zo kunnen plantenveredelaars snel en goedkoop het genoom van gewassen sequensen en bibliotheken van gunstige eigenschappen en bijbehorende genen aanleggen (annotatie). De grootste klus tot nu toe was het tarwegenoom, een enorme uitdaging. Het is een van grootste en meest complexe genomen. Op 17 augustus 2018 werd het gepubliceerd. Niet minder dan 16 miljard basenparen, ruim vijf keer zo groot als ons genoom. En geen kladje! De basenvolgorde van de 21 chromosomen zijn nu in detail bekend, de precieze locatie van de 107.891 genen eveneens en meer dan 4 miljoen moleculaire merkers (zie ook onder). Ook is er nu informatie beschikbaar over de volgorde tussen de genen met de regulerende elementen die de expressie van genen beïnvloeden. Een begeleidend artikel voorziet bovendien in annotatie (koppelen van genen aan eigenschappen) en middelen die onderzoekers, veredelaars en telers ondersteunen bij het begrijpen hoe de tarwegenen de eigenschappen beïnvloeden. Dit faciliteert het ontwikkelen van nieuwe tarwerassen met grotere opbrengst, groter aanpassingsvermogen bij omgevingsveranderingen en verbeterde weerstand tegen ziektes. Hierbij moet je je realiseren dat tarwe erg gevoelig is voor droogte en overstromingen. Bovendien zijn de jaarlijkse verliezen door plagen zoals tarweroest (schimmel) aanzienlijk. We moeten daarbij eveneens bedenken dat tarwe het meest geteelde gewas is op aarde en mondiaal het menselijk dieet van meer eiwit voorziet dan vlees, terwijl het ongeveer een vijfde van de gemiddelde calorieconsumptie levert. De basenpaarvolgorde van het genoom samen met alle andere kennis opent nu de weg naar een veel snellere productie van tarwerassen die aangepast zijn aan klimaatveranderingen, die hogere opbrengsten en verhoogde voedingswaarden hebben, en bovendien duurzamer zijn.
Annotatie: koppelen van DNA aan eigenschappen
Door recente ontwikkelingen is er nu een groot aantal plantenkenmerken gekoppeld aan stukken DNA (annotatie), de genen die hiervoor verantwoordelijk zijn. Door een specifiek DNA-fragment, een zogenaamde merker, op te sporen in een kruisingsproduct kan in een zeer vroeg stadium bepaald worden of het bijvoorbeeld ziekteresistent zal zijn zonder dat men de plant moet infecteren. Wanneer de genen die direct van invloed zijn op een bepaalde eigenschap bekend zijn of wanneer naburige genen bekend zijn, kan selectie plaatsvinden op DNA-niveau in plaats van op uiterlijk. Voor iedere nakomeling van een bepaalde kruising kan vervolgens met behulp van moleculaire-DNA-merkertechnieken bekeken worden welke combinatie van genen in het DNA aanwezig is. De nakomelingen die de meest gunstige combinatie van genen bezitten, kunnen op deze manier snel worden opgespoord en ingezet in het vervolg van het veredelingsprogramma. In de meeste gevallen wordt het te analyseren DNA bereid uit een stukje bladweefsel van een jonge plant, maar veredelaars kunnen tegenwoordig ook gebruik maken van ‘seed chipping’, de technologie waarbij een klein stukje van het zaad weggenomen wordt om DNA uit te isoleren zonder dat het embryo beschadigd wordt of het zaad aan kiemkracht verliest. Met seed chipping kan uiterst vroeg achterhaald worden welke zaden gunstige kenmerken bevatten en hoeven de minder geschikte zaden niet eens gezaaid te worden. Dit betekent een sterke reductie van het veredelingsprogramma en dus selectiekosten. Samen met de andere twee navolgende revolutionaire recente ontwikkelingen komt daardoor nu voor iedere omstandigheid het optimale gewas in zicht.
Een heel andere toepassing werd op 16 oktober 2018 gepubliceerd, een wereldprimeur. Een internationale groep wetenschappers gebruikte genoomsequensen om terplekke met ‘een handsequencer’ een plantenpathogeen te kunnen diagnosticeren dat gewassen verwoest op Afrikaanse boerderijen. Hiermee scheppen ze de mogelijkheid om misoogsten te voorkomen van gewassen die van vitaal belang zijn voor de Afrikaanse economie. Voor de kleine boer kan het zelfs het verschil betekenen tussen voedsel en inkomen hebben of hongerlijden.
Recente ontwikkelingen: RNA-interferentie
De tweede van de veelbelovende recente ontwikkelingen is RNA-interferentie (RNAi). Volgens de website www.allesoverdna.nl is RNAi een proces dat genexpressie remt door het afbreken of blokkeren van mRNA-moleculen (boodschapper RNA) voordat translatie kan plaatsvinden. Korte stukjes enkelstrengs RNA, microRNA‘s (miRNA) of de iets andere small interfering RNAs (siRNA), binden aan stukken mRNA met een complementaire nucleotidenvolgorde. Dit zorgt ervoor dat geen translatie kan plaatsvinden, of dat enzymen in de cel dit mRNA afbreken. De cel maakt en kopieert miRNA en siRNA uit stukken dubbelstrengs RNA. Die kennis gebruiken wetenschappers om RNAi als techniek in het lab in te zetten. Door een specifiek dubbelstrengs RNA-molecuul in de cel te brengen, kunnen onderzoekers tegenwoordig heel precies de expressie van een gen uitschakelen. Bij deze techniek blijft de DNA-code van een organisme intact. Veredelaars gebruiken deze techniek om de functie van genen te achterhalen, maar ook om de stofwisseling te veranderen, of om planten weerbaar te maken tegen insecten. De eerste ontwikkelingsaanvragen zijn er. De grote vraag nu is of dit wel of niet genetische modificatie is; de volgorde van de nucleotiden blijft immers intact. Het antwoord heeft grote invloed op de te volgen procedures en daarmee op de ontwikkelingstijd en -kosten. Wordt het wel als genetische modificatie geclassificeerd, dan is de ontwikkelingstijd veelal onacceptabel lang en duur en alleen voor de grote multinationals mogelijk. Aanpassing van de regelgeving is daarom dringend noodzakelijk. Op 25 juli 2018 besloot het Europese Hof van Justitie echter producten van de nieuwe technieken, inclusief gen-editing, als genetisch gemodificeerd te classificeren. Hiermee sluit men de deur voor alle recente ontwikkelingen op het gebied van de plantengentechnologie. De beoordeling van deze nieuwe technieken ligt nu weer op het bordje van de politiek; en juist de politiek ontwijkt voortdurend het nemen van besluiten over deze zaken, waardoor de ontwikkelingen in Europa op slot gaan. Bemoedigend is dat de Volkskrant van 31 oktober 2018 de voorpagina kopt met: ‘Schouten opent deur voor genmodificatie.’ Carola Schouten is onze Minister van Landbouw en was aanvankelijk van mening dat alles biologisch moest worden. In het artikel zegt ze nu: ‘In de loop der tijd ben ik gaan inzien dat mijn beeld veel te beperkt was. Voor CRISPR-Cas zou ik experimenteerruimte willen hebben.’
Gemodificeerd katoenzaad als menselijk voedsel
In de VS is men al een flinke stap verder. Op 17 oktober 2018 schreef Science News van Reuters dat een van de Amerikaanse toezichthoudende instanties, te weten de U.S. Department of Agriculture Animal and Plant Health Inspection Service (AAPHIS), de weg heeft vrijgemaakt voor boeren om katoen te verbouwen dat zodanig genetisch gemodificeerd is dat het zaad eetbaar is voor mensen. Met RNAi hebben onderzoekers van Texas A&M University een gen uitgeschakeld waardoor in katoenzaad geen gossypol, een voor mensen giftige verbinding, wordt gevormd. Katoen wordt op grote schaal in de meeste werelddelen verbouwd. De vezels worden gebruikt in de textielindustrie en het zaad onder andere als voer voor vee met meerdere magen. Het katoenzaad is ongeschikt voor menselijke consumptie door het gossypol. De onderzoekers hebben de katoenplant zodanig veranderd dat in het zaad nagenoeg geen gossypol meer zit, maar in de rest de natuurlijke niveaus gehandhaafd blijven, waardoor de plant dezelfde bescherming houdt tegen insecten en ziektes. De hele zaadkorrel kan verwerkt worden tot snack of een pindakaasachtige pasta. Als de olie uit het zaad geëxtraheerd wordt kan die gebruikt worden om in te bakken en braden. Het restant dat veel eiwit bevat kan verwerkt worden tot meel voor brood, tortilla’s etc. Wat nu nog ontbreekt is de goedkeuring van de FDA. Wereldwijd zijn er zo’n 80 landen waar katoen wordt verbouwd, vooral in landen in Azië en Afrika waar men ook veel met ondervoeding te kampen heeft. De nieuwe katoenplant biedt hiervoor een oplossing. De huidige katoenzaadkorrelwereldproductie is namelijk voldoende om bijna 600 miljoen mensen dagelijks van voldoende eiwit te voorzien. Ook hier is uiteraard goedkeuring van de betreffende regeringen noodzakelijk.
De natuur maakt voortdurend gebruik van DNA-technieken
Onze kennis van genomen is de laatste twee decennia exponentieel toegenomen door de steeds snellere sequentiebepalingstechnieken. We weten inmiddels dat in de natuur zelf regelmatig allerlei nieuwe stukken DNA in planten geïntegreerd worden, bijvoorbeeld afkomstig van bacteriën en virussen die planten infecteren. We gebruiken zelf dus zo’n bacterie (Agrobacterium tumefaciens) voor genetische modificatie. Ook is bekend dat een plant ‘springende genen’ (transposons of jumping genes) heeft die van de ene plek in een genoom naar een andere kunnen verspringen en zich daar ‘nestelen’. Verlies en aanwinst van genen binnen een bepaalde soort is een verschijnsel dat eveneens regelmatig wordt waargenomen. Ook genoverdracht tussen verschillende soorten (horizontale genoverdracht) is een proces dat voorkomt. Kortom, hoe nieuwe soorten ook gemaakt zijn, of dit via klassieke veredeling is, of door mutagene behandelingen, of door genetische modificatie, we moeten er altijd rekening mee houden dat deze soorten genen kunnen bevatten die nog niet in de voedselketen voorkomen en zelfs niet plantaardig kunnen zijn. Wij kunnen ons in het licht hiervan zelfs afvragen of afwijzing van genetische modificatie wel houdbaar is, zelfs als het gaat om transgenese (de overdracht van DNA van de ene soort naar de andere). De natuur zelf maakt er toch voortdurend gebruik van?
Interessant? Lees dan ook:
Kwekersrecht, octrooirecht en genetische modificatie
Genetische modificatie: groeiende kloof tussen publieke perceptie en industriële praktijk
Het is bewezen: Séralini heeft ongelijk. Wat gaat de EU nu doen?