Het simpelste levende organisme heeft slechts 437 genen en komt uit een lab

Van een derde van de genen is de functie nog onduidelijk. "Een beetje beschamend," zegt synthetisch bioloog Craig Venter.

|
25 maart 2016, 10:35am

Beeld: Shutterstock

Craig Venter, de rockster van de synthetische biologie, heeft een nieuwe hit. Venter en zijn team zeggen dat ze een van de meest simpele (theoretische) organismes hebben gecreëerd door een combinatie van genetische ontwikkelingstechnieken, DNA-synthese, en vallen en opstaan.

Het paper, donderdag in Science gepubliceerd, beschrijft een bacterie die zichzelf verdubbeld, uitgevonden door Venter en zijn team. Het organisme bevat slechts 437 genen, een "genoom minder dan dat van welk autonoom replicerende cel gevonden in de natuur," volgens het paper. Het onderzoek geeft meer inzicht over de functies van individuele genen die nog zijn om leven te creëeren, en laat ook zien hoe weinig we eigenlijk weten over de functies van specifieke genen.

"We zijn al lang geïnteresseerd in het vergemakkelijken van genomische software van een bacteriecel, door genen te verwijderen die niet nodig bleken voor celgroei onder ideale condities in een laboratorium." Schreef Venter in het paper. "Dit is een stap richting het doel de moleculaire en biologische functie van ieder gen – die essentieel is voor leven – te begrijpen."

Beeld: Science

Een onderzoek dat in 1995 gepubliceerd werd door het National Center voor Biotechnologische Informatie, suggereerde dat een genoom dat de meest basische levensvorm zou coderen ongeveer 256 genen bevat. Venter zei tijdens een telefonische conferentie met verslaggevers dat "iedereen ernaast zat – ongeveer een derde ernaast." Het team zei dat 149 van de genen een onbekende functie hebben, maar desondanks essentieel waren voor het organisme om te groeien en te kunnen repliceren. Ter vergelijking: E. coli ongeveer 5.000 genen.

"We weten nu dat van 32 procent van de genen die nodig zijn een organisme levensvatbaar te maken, onbekend zijn," zei Venter. "We begrijpen van een derde van die genen de functie niet – terwijl we zelfs diepe analyses gedaan over het menselijke genoom, met zelfs 20.000 genen, waarvan we van de meeste niet eens de functie weten. Dus ik denk dat deze resultaten wel een beetje beschamend zijn."

Maar wat betekent dit allemaal? Venter zegt dat zijn team en anderen nu gaan werken aan het identificeren van het doel van zulke genen. Daniel Gibson, een researcher bij het J. Craig Venter Institute, zei dat dit werk uiteindelijk tot de creatie van synthetisch leven met specifieke functies zal leiden, zoals het produceren van goedkope biobrandstof en het creëeren van nieuwe medicijnen.

"Ons langetermijndoel is het ontwikkelen en bouwen van synthetische organismes op aanvraag, waarbij je specifieke functies kunt toevoegen en kunt voorspellen wat de uitkomst zal zijn," zei Gibson.

Beeld: Science

Misschien ken je Venter als een van de leiders van het Human Genome Project, of als de eerste wetenschapper ooit die een synthetische genoom overzette naar een levende cel terwijl het bleef functioneren (velen noemen dit de eerste synthetische levensvorm ooit). Ook is hij bevriend met Elon Musk, met wie hij gezellig kletst over het printen van synthetisch leven op Mars, en is hij mede-oprichter van Human Longevity, wat als doel heeft de levensverwachting van mensen te verlengen door middel van genetica.

Dit nieuwe onderzoek verliep erg langzaam. Venter zegt dat hij twintig jaar lang af en aan aan het project werkte, en dat het organisme – genaamd JCBI Syn 3.0 – het resultaat was van geavanceerd vallen en opstaan.

Eerst probeerde het team via computer software een model te maken, maar iedere keer dat zij daarna het organisme probeerden te synthetiseren, lukte het niet.

"Ieder model faalde," zei hij.

Het team nam hun originele synthetische leven, genaamd SYN 3.0, en begon genen weg te halen en toe te voegen waar nodig. Het team vond dat genen waarvan ze eerst dachten dat ze onnodig waren, uiteindelijk vaak belangrijk waren voor het overleven van de bacterie. Venter vergeleek het met een Boeing 747-vliegtuig: je kunt een motor uitzetten en het nog steeds laten vliegen, maar als je beide uitzet, stort het vliegtuig neer.

"Dat is wat er steeds weer gebeurde, steeds dachten we dat componenten non-essentieel bleken, tot we de tegenhanger [van dat gen] ook weghaalden," zei hij

Beeld: Science

Alleen de genen die absoluut nodig waren voor de bacterie om te blijven leven werden toegevoegd. Venter zei dat – ondanks dat dit een 'minimaal' bacteriaal genoom is, het niet per se het uiterste minimum is, omdat andere vormen van leven mogelijk ook bestaan.

"Een gemiddeld experiment duurde drie maanden, en dit onderzoek had mogelijk nog vijf jaar langer geduurd als we ons niet op snelle groei focusten," zei hij.

Synthetische biologie staat nog in haar kinderschoenen, en het is nog de vraag wanneer synthetisch leven daadwerkelijk toegepast kan worden (in plaats van er alleen van te willen leren), maar tegenwoordig worden bijna jaarlijks belangrijke vondsten gedaan. Venter creerde in 2010 het eerste artificiele leven; Floyd Romesberg, van het Scripps Research Institute, creerde synthetisch leven met gebruik van DNA basisparen die niet in de natuur voorkomen; en genetische editing-programma's, zoals CRISPR-Cas9 worden in allerlei soorten laboratoria gebruikt om DNA fundamenteel te veranderen.

Deze resultaten suggereren dat de definitie van 'levend' verandert terwijl we de code manipuleren. Het is ook niet zo verrassend dat Venter 'genoom' vaak 'een stuk software' noemt in het paper.

"Het leven draait op DNA-software," zei hij. "En door deze software beter te gaan begrijpen, zullen we ook een beter begrip krijgen van leven."