Is het leven maakbaar? 4.5 Nieuwe plantenveredelingstechnieken

Planten hebben grote en ingewikkelde genomen. Daardoor was het inbrengen van (soort)vreemd DNA tot voor kort een soort roulette: waar vindt de modificatie plaats, werkt die en zijn er neveneffecten? De technieken zijn inmiddels sterk verbeterd en er zijn totaal nieuwe plantenveredelingstechnieken bijgekomen met afkortingen als ZFNs, TALENs en CRISPR-Cas (zie onderaan dit artikel een verklarende woordenlijst). Hiermee kunnen heel precies veranderingen in het DNA worden aangebracht.

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, 8 november en 2 december 2018.

Nieuwe plantenveredelingstechnieken

De nieuwe plantenveredelingstechnieken (NPBTs) vergroten opnieuw sterk het arsenaal ter beschikking van de plantengentechnologie. Deze komen bovenop de grote stappen gezet in de jaren ’80 en ’90 met technieken als het Agrobacterium vectorsysteem (zie Essay 4 Deel 3); en bovenop de technieken ontwikkeld aan het begin van deze eeuw zoals de RNA-interferentie (zie Essay 4 Deel 4). Met deze nieuwe plantenveredelingstechnieken is transgenese mogelijk, maar ze worden vooral gebruikt voor cisgenese, het inbrengen van genen van dezelfde soort; en voor ‘gen-editing’, het veranderen van hooguit een paar letters in het DNA op een specifieke plek. Het innovatieve van deze technieken is (1) de mutatie is heel precies, en/of (2) de eindproducten zijn vrij van transgenen, en/of (3) genetisch materiaal van dezelfde soort wordt ingevoegd (cisgenese), en/of (4) alleen een specifiek weefsel in een plant wordt gemodificeerd. De bezwaren van tegenstanders van gentechnologie worden hiermee grotendeels ondervangen. De discussie is nu of hier nog wel sprake is van genetische modificatie: er worden of alleen soorteigen genen geïntegreerd, of alleen een paar ‘letters’ veranderd in het DNA. In principe kan met de klassieke methodes van kruisen en mutatie dezelfde resultaten bereikt worden, alleen kost dat veel meer tijd en geld. Als deze technieken wettelijk niet meer onder genetische modificatie vallen, kan dat hun toepassing sterk versnellen.

CRISPR-Cas
Bewerkt beeld van CRISPR-Cas technologie.

Vooral de CRISPR-Cas-technologie biedt grote mogelijkheden. In vergelijking met ZFNs en TALENs is de CRISPR-Cas-technologie eenvoudig, snel, goedkoop en toepasbaar bij alle soorten cellen. Het is van oorsprong een manier waarop bacteriën zich verweren tegen virusinfecties – maar zoals het zich nu laat aanzien is deze techniek heel breed toepasbaar. De goede werking hiervan is intussen ook aangetoond bij planten: in uiteenlopende soorten als tarwe, rijst, tomaten, soja, tabak en populieren. Veel landbouwgewassen hebben genoomduplicaten, dat wil zeggen dat ze meerdere kopieën van hetzelfde gen bezitten. Met CRISPR-Cas kunnen alle kopieën van het betreffende gen in de cel in één keer aangepast worden. De drie nieuwe systemen behoren alle tot de zogenoemde site-directed nucleases (SDNs).

SDN-technologie

Precisiemodificatie van plantengenomen wordt door SDNs pas echt goed mogelijk. Ze knippen de beide DNA-strengen op een selectieve plaats in het genoom door en schakelen het DNA-herstelmechanisme van de cel in om veranderingen aan te brengen. Julia Hilscher, Hermann Bürstmayr en Eva Stoger schreven in 2017 een mooi overzichtsartikel hierover. Simpel gezegd komt de SDN-technologie neer op het gebruik van een DNA-knipenzym (nuclease) dat gekoppeld is aan een gidsmolecuul (eiwit of RNA). Dit koppel breng je in een cel van de plant die je wilt veranderen. Het gidsmolecuul zoekt de plaats op in het genoom waar je een verandering wilt aanbrengen en de nuclease knipt daar het DNA door. Het eigen DNA-herstelmechanisme van de cel last de twee strengen weer aan elkaar, waarbij kleinere of grotere veranderingen ontstaan. Werken met ZFNs en TALENs is vrij moeizaam omdat voor elke toepassing nieuwe gidseiwitten gemaakt moeten worden. CRISPR-Cas9 (waarbij de 9 aangeeft dat stoffen uit melkzuurbacteriën worden gebruikt) is daarentegen buitengewoon succesvol. Dat komt omdat het gids-RNA vrij klein is en gemakkelijk kan worden aangepast. Daardoor kan men het Cas9-nuclease naar elke gewenste knipplek in het genoom dirigeren. Het systeem is goedkoop, snel en breed toepasbaar, waardoor het ook binnen het bereik komt van kleinere laboratoria. Ik bespreek daarom hier alleen de CRISPR-Cas-systemen en verwijs voor de andere naar het in Deel 4 genoemde boekje van het Vlaams Instituut voor Biotechnologie (VIB).

koolzaad nieuwe plantenveredelingstechnieken
Koolzaad

De snelheid waarmee deze nieuwe technologie is doorgebroken, kwam als een verrassing voor de regelgevende instanties, vooral in Europa. In Noord-Amerika kijkt de regelgeving naar het product, terwijl die in Europa betrekking heeft op het proces waarmee dat product is gemaakt. Omdat de meeste producten van nieuwe plantenveredelingstechnieken niet verschillen van gewassen die ontstaan door klassieke veredeling, worden ze in Noord-Amerika niet als GGOs geclassificeerd. Maar wel in Europa, bij beslissing van het Europese Hof van Justitie op 25 juli 2018 (zie Essay 4 Deel 4). Dat betekent dat het goedkeuringstraject tijdrovend en duur is, waardoor feitelijk in Europa de deur alleen voor de grootste drie veredelingsbedrijven op een kier blijft staan. Het gevolg is dat kleinere bedrijven zoals bijvoorbeeld Cibus in Europa nauwelijks kansen krijgen. Cibus profileert zich als precisieplantenveredelingsbedrijf. Haar eerste commerciële product, herbicidetolerant koolzaad, heeft het in 2017 voor goedkeuring in Brussel voorgelegd. Dit gewas, SU CanolaTM, is een niet-transgeen, sulfonylurea-herbicidetolerant koolzaad dat een wereldwijd gewenst alternatief biedt voor de glyfosaatresistente gewassen van Monsanto (tegenwoordig Bayer). Het alternatief is gewenst omdat het een deukje slaat in de m.i. ongewenste monopoliepositie van de drie grote multinationals. Een kansrijk alternatief ook, omdat glyfosaat steeds meer onder vuur komt te liggen. Erg jammer van de beslissing van het Europese Hof afgelopen zomer. Dat maakt de kansen voor onder meer Cibus in Europa nihil. Opmerkelijk is dat dit bedrijf vestigingen heeft in San Diego en St. Paul in de VS, Winnipeg in Canada en … Kapelle in Zeeland!

CRISPR-Cas9

Onlangs (oktober 2018) verscheen het toegankelijke boekje DNA-bewerking – knippen en plakken met CRISPR/Cas9 van Kristel Kleijer, een neurobiologe die onder meer schrijft voor New Scientist. Het boekje gaat vooral over toepassingen in de biomedische wereld, maar het stukje over de naamgevingsoorsprong van CRISPR wil ik hier toch graag beknopt weergeven. In 1987 ontdekte de Japanse onderzoeker Yoshizumi Ishino tijdens het klonen van een bacterieel gen per ongeluk een vreemd stuk DNA. Normaal gesproken is de DNA-code onregelmatig, maar wat hij zag was een korte identieke lettercombinatie die zich meerdere keren herhaalde met ertussenin ongestructureerde stukken van gelijke lengte. De functie ervan begreep hij niet, maar hij maakte er met zes zinnen toch gewag van in een van zijn publicaties omdat deze ongewone structuur niet eerder was beschreven. In 2005 opperden Franse en Spaanse onderzoekers dat dit een afweersysteem is van bacteriën tegen virussen (zie volgende alinea). In 2002 doopte de Nederlandse microbioloog Ruud Jansen het systeem Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Geen aansprekende naam, maar wel de lading dekkend: in het betreffende stuk DNA liggen gegroepeerd (Clustered) en op vaste afstand van elkaar (Regularly Interspaced), korte (Short), goed herkenbare stukjes omdat ze palindromisch zijn (Palindromic) en zich herhalen (Repeats). Verhelderend, maar kortaf CRISPR bekt toch lekkerder.

John van der Oost
John van der Oost en studenten.

Een andere Nederlandse microbioloog die in dit verband niet mag ontbreken is John van der Oost. Hij verricht baanbrekend onderzoek op het CRISPR-Cas-vlak en kreeg daarvoor in september 2018 de Spinozapremie, € 2,5 miljoen, de hoogste Nederlandse onderscheiding in de wetenschap. Hij publiceerde in 2008 hoe de repeterende stukjes DNA geassocieerd met nucleases, de Cas-enzymen, bacteriën beschermen tegen binnendringende virussen. CRISPR kun je zien als een database met kleine stukjes DNA die tussen de palindromische stukjes liggen. Deze tussenliggende stukjes bevatten informatie over alle bacterievirussen (bacteriofagen) die de cel ooit zijn binnengedrongen. In de buurt van het CRISPR-stuk liggen enkele nuclease-genen die met het CRISPR-stuk geassocieerd zijn, de zogeheten Cas-genen, vandaar ook CRISPR-Cas-systeem.

Snel en simpel genen repareren

Wetenschapsjournalist Rik Nijland schreef over dit onderwerp de informatieve longread Snel en simpel genen repareren in het december 2017 nummer van Wageningen World. Onlangs verscheen van hem ook een interessant interview met John van der Oost in [C2W] van november 2018 naar aanleiding van de Spinozapremie. Zelf schreef ik over John in het oktober 2016 nummer van [C2W] de column Mistr CRISPR en een uitgebreide versie hiervan (CRISPR-Cas: prijswinnende technologie?) verscheen twee maanden later dat jaar op deze website. John van der Oost heeft met zijn groep veel werk gedaan om de CRISPR-Cas technologie te ontwikkelen, zie daarvoor mijn artikel van november 2016. Belangrijke principes van het CRISPR-mechanisme, zoals het gericht aanpassen van de specificiteit door re-design/herprogrammering van de antivirusstukjes, en transplantatie van het systeem naar andere organismen, zijn in 2008 en de jaren daarna opgehelderd door hem en zijn groep. Dit heeft de basisprincipes aan het licht gebracht van het editen van genomen met CRISPR, en anderen hebben gretig van deze kennis gebruik gemaakt.

Jennifer Doudna en Emmanuelle Charpentier zijn onlosmakelijk verbonden met het CRISPR-Cas9-systeem, de variant afkomstig uit melkzuurbacteriën. De karakterisering ervan publiceerden ze in 2012 en kort daarna werd duidelijk dat Cas9 het mogelijk maakt om heel gericht, goedkoop en gemakkelijk genen aan te zetten, uit te zetten en zelfs nieuwe genen in te brengen. Dat lukt niet alleen in prokaryoten (bacteriën en archaea), het werkt ook in eukaryoten (organismen met een celkern). Doudna haalde er al heel wat prijzen voor op, waaronder de prestigieuze Heinekenprijs op 29 september 2016. Edze Westra, voormalig promovendus van John van der Oost, kreeg de junior versie. In ieder geval ook een stukje erkenning voor het baanbrekende CRISPR-werk van de Van der Oost-groep. Doudna en Charpentier worden al jaren veelvuldig genoemd als kansrijke Nobelprijswinnaars, maar ze zitten er tot nu toe niet bij. Volgens oud-hoogleraar Piet Borst krakelen ze te veel over octrooien met Feng Zhang c.s. die als eerste lieten zien dat CRISPR-Cas ook in zoogdiercellen werkt. Al dat geruzie, daar houden ze niet van in Stockholm.

Van de nieuwe plantenveredelingstechnieken is de CRISPR-Cas9-technologie, krap zes jaar oud, definitief doorgebroken. De resultaten zijn overtuigend en de ontwikkelingen gaan revolutionair snel. Ik wil daarom dit deel graag afsluiten met een voorbeeld dat al veel media-aandacht heeft gekregen, bijvoorbeeld op 10 november 2018 nog door Sander Voormolen in het wetenschapskatern van de NRC. Waarom ik dan ook nog eens? Het gaat om de niet zo snel bruinende champignon, een van de eerste producten van de CRISPR-Cas9-technologie. Maar daarom niet alleen, nee, ook vanwege de plaats waar die champignon ontwikkeld is, namelijk bij Purdue University. En dat is de universiteit waar ik in 1973 in de biotechnologie terecht kwam (zie Essay 1). Door een kleine ingreep met behulp van CRISPR-Cas is het gen uitgeschakeld dat het bruin worden veroorzaakt. Het Amerikaanse ministerie van landbouw (USDA) classificeerde deze ‘licht-gemodificeerde’ champignon als niet-GGO, waarmee de weg geopend is naar een snelle implementatie.

Verklarende woordenlijst
NPBTs: novel plant breeding techniques
ZFNs: zinc finger nucleases
TALENs: transcription activator-like effector nucleases
CRISPR: clustered regulatory interspaced short palindromic repeats RNA-guided DNA endonuclease
Cas: CRISPR associated
SDN: site-directed nucleases

Interessant? Lees dan ook:
Waarom zouden biologische boeren geen gebruik kunnen maken van nieuwe plantenveredelingstechnieken?
CRISR-Cas: prijswinnende technologie?
Is het leven maakbaar? Transitie is onvermijdelijk

(Visited 1 times, 1 visits today)

Plaats een reactie