Chemici synthetiseren nieuw leven Henk Klomp Het centrale dogma van Crick en Watson staat ter discussie. Met synthetische chemie kan de perfectionering van het leven beginnen. “En nu maar afwachten of het beestje het beter doet,” aldus de jonge prof Lei Wang van het private Salk Instituut voor Biologische Studies in San Diego. “Hij heeft eiwitten die tot nu toe geen bacterie, dier of plant op aarde heeft gehad, buitenaardse eiwitten zou je kunnen zeggen. Eigenlijk starten we dus een nieuwe evolutie in het klein.” Het beestje waar Wang het over heeft, is de colibacterie, een van de vele darmbacteriën van de mens. Terwijl eiwitten van planten en dieren uit twintig verschillende bouwstenen – de aminozuren – bestaan, heeft de nieuwe colibacterie er eenentwintig. Wang schonk het diertje het extra aminozuur, p-aminofenyl alanine, ook wel paf genoemd, plus de erfelijke machinerie het aan te maken. “De interessante vraag is nu natuurlijk of dit diertje ergens beter in is dan het andere leven op aarde,” vertelt Wang. Misschien is het proefrevolutietje niet meer dan een niemendalletje in het lab, maar Wang heeft met zijn pafbacterie toch een grens overschreden. De diertjes hebben immers levensvreemde genen en eiwitten, genen en eiwitten die nooit zijn voorgekomen op aarde. Het is een stukje kunstmatig gemaakt nieuw leven. Revolutie De chemische revolutie, in feite ingezet door synthetisch chemici maar getooid met de naam: ‘synthetische biologie’, begon een paar jaar geleden in de Verenigde Staten. De onderzoeksgroep van Peter Schultz – ‘als ik gok, dan zet ik altijd hoog in’ - , van het private Scripps Research Lab in Florida slaagde er toen in nieuwe eiwitten te maken waarin een levensvreemd aminozuur voorkomt – O-methyl-tyrosine -. “In levende wezens komen maar twintig aminozuren voor,” verduidelijkt Wang, “Maar op aarde en in meteorieten zijn meer dan honderd aminozuren gevonden. Op zich biedt de genetische code ook de ruimte om voor deze aminozuren te coderen: de drietallen genetische letters kunnen namelijk 64 combinaties aan. Toch gebruiken de eerste cellen al sinds de oersoep maar 20 aminozuren. Ons diertje kan een antwoord geven waarom dat zo is.” Schulz’ doel was een nieuwe kast in de organische chemie open te trekken, of beter: de genetische diversiteit op een radicale manier te vergroten. Of liever: nog verder te vergroten, want van de 20 natuurlijke aminozuren zijn in principe al meer eiwitten te bouwen dan er deeltjes in het heelal zijn. Maar sommige levensvreemde aminozuren hebben gewenste chemische eigenschappen: ze fluoresceren licht, zijn fotoreactief of kunnen elektronen opnemen of afgeven. Sommige aminozuren hebben chemisch interessante zijketens, zoals bijvoorbeeld ketonen. Het loont dus de moeite deze als bestanddelen in eiwitten op te nemen. Het lek in de genetische code Schultz gebruikte daarvoor een lek in de genetische code. De genetische code kent drie codons die niet leiden tot de aanbouw van aminozuren in een eiwit, de stopcodons. Schultz en Wang maakten zogeheten transfer RNA dat zich hecht aan een stopcodon, bijv. UAG, en zich door een enzym – aa-tRNA synthetase - laat ‘opladen’ met een levensvreemd aminozuur. Transfer RNA is een molecuul dat een aminozuur aanlevert aan het ribosoom, het fabriekje in de cel dat eiwitten synthetiseert. Met het nieuwe transfer RNA bouwde het ribosoom voortaan op de plaats van het stopcodon een levensvreemd aminozuur in een eiwit in. Centraal dogma op zijn gat Maar met Schultz’ onnatuurlijke eiwitten lag het ‘centrale dogma’ van de biochemie wel plotseling op zijn gat. Dat dogma geeft de regels waar een organisme aan zou moeten voldoen, om levend te mogen heten. Namelijk: er zijn vier basen die in drietallen coderen voor twintig aminozuren.

Behalve dat het pafbacterie voortleefde met meer dan 20 aminozuren, bleek ook de drieletterigheid van de code geen heilig huisje. Ook vier- en vijflettercodes bleken bruikbaar. De chemische revolutie verbreedde en versnelde zich verder, net zoals de bestorming van de Bastille uiteindelijk heel Europa meezoog in een oorlog. Farmacologen van Harvard Medical School in Nashville kwamen tot de conclusie dat het zelfs mogelijk is de erfelijke code compleet te herschrijven: ze leerden willekeurig te kiezen welke codons tot de inbouw van welke (vreemde) aminozuren moesten leiden. Daarvoor namen ze het ribosoom apart en lieten ze synthetische moleculen de aminozuren aandragen. ‘Het kernapparaat,’ stelde Tony Forster in Proceedings of the National Academy of Science, ‘synthetiseert al wat hem wordt opgedragen. De erfelijke code zit niet ingebakken in het ribosoom, maar wordt afgedwongen door eiwitten in de cel.’ Met een geïsoleerd ribosoom kon Forster voortaan elk gewenst peptide maken van natuurlijke en onnatuurlijke aminozuren. Zijn peptidomimetische machines worden nu gebruikt om nieuwe medische peptiden te ontwerpen. In 2005 rapporteerden medici van Howard Hughes bijvoorbeeld de vondst van een kunstmatig peptide, SAHB, dat in kankercellen het programma van celdoding op gang kan brengen. Een nieuw alfabet Maar als er zo makkelijk met de volgorde van de genetische letters kan worden gesjoemeld, misschien zijn die letters dan ook wel niet essentieel, zo bedacht zich prof. Steve Benner van de Universiteit van Florida. De vier basisletters van de genetische code zijn: A, T (U), C en G. Ze staan voor de nucleotiden: adenine, thymine (urasil), cytosine en guanine. En inderdaad leerde Benner, dat met enige chemische aanpassingen, het DNA-molecuul wel twaalf verschillende basen in zich kan dragen. Twaalf verschillende letters dus, waarvan er acht nooit in het aardse DNA zijn voorgekomen. Op grond van zijn meerletterig DNA verbeterde Benner medische DNA-testen voor hepatitis, SARS en cystic fibrosis. Ook maakte hij genen in een zesletterig schrift. Dit jaar slaagde Benner er zelfs in zijn kunstmatige genen zich te laten vermenigvuldigen. Hij zocht tot hij een DNA-polymerase – een enzym dat van één streng DNA twee strengen kan maken – had gevonden, dat ook de nieuwe letters invoegde. Dat polymerase vond hij na experimenten met het reverse transciptase enzym van HIV. De chemie van het leven blijkt noch aan een vierletterig alfabet, noch aan drieletterige codes, noch aan twintig aminozuren te zijn gebonden. Aardse woestenij De reden dat al het aardse leven toch een vierletterig genetisch alfabet heeft, ontdekte Benner vorig jaar. Ribose, een suiker waarin vijf koolstofatomen vijf watermoleculen bijeenhouden en dat een bouwelement is in zowel RNA als DNA, werd volgens hem op de vroege aarde gevormd boven woestijnen, waar het mineraal boraat aan het oppervlak lag, net zoals in Death Valley nu. Aan dat ribose nu, konden zich in die woeste wereld alleen basen hechten met een zogeheten pyrimidinering (dat zijn de letters G,C,U) via een binding tussen koolstof en stikstof. Ook het vierde base adenine (de letter A) hecht zich via zo’n binding. Maar andere basen moeten zich hechten via een binding tussen koolstof en koolstof, en dat lukte chemisch eenvoudigweg niet. ‘Ons vierletterige genetische alfabet is het gevolg van de beschikbare mineralen in onze eerste woestijnen,’ schreef hij in Science van 22 oktober 2004. Op andere planeten ziet de erfelijke code er dus waarschijnlijk heel anders uit. Met de revolutie in zijn achterhoofd, denkt Benner, die als een van de belangrijkste experts geldt in het herkennen van buitenaards leven en voor NASA de data uit de methaanmeren op Titan analyseert, nu dat er voor leven niet eens perse meer water nodig is.

‘Essentieel is een langgerekt macromolecuul met afwisselend wel en geen elektrische lading. In RNA en DNA zorgt het geraamte van fosfaten daarvoor. Dat ladingspatroon zorgt ervoor dat het molecuul zich niet chaotisch oprolt, en houdt tevens de erfelijke letters, zoals de basen, op afstand van het geraamte. Zo’n molecuul kan het begin zijn van abiotische en biologische evolutie,’ luidde zijn mening samengevat in het tijdschrift Current Opinion in Chemical Biology. Het eerste leven op aarde begon volgens Benner met kleine stukjes RNA die terecht kwamen in een klein vetbelletje. Hij is er dan ook van overtuigd, dat er op aarde nog onontdekt leven is, dat zo klein is dat het zich tot nu toe aan microscopen heeft onttrokken. ‘Als er geen eiwit meer in een cel zit, kan die immers veel en veel kleiner. Het RNA-leven zit misschien nog wel in zeolieten, die zulke kleine gaatjes hebben dat bacteriën er tijdens de evolutie niet in kwamen,’ vertelde Benner het tijdschrift Explore van de Universiteit van Florida. Bellenzee De geneticus Jack Szostak van Howard Hughes Medical Institute maakt in zijn lab kunstmatig kleine vetbelletjes, die lijken op membraantjes. Hij toonde al aan, dat zich op de vulkanische klei montmorilloniet, uit vetmoleculen zo snel belletjes vormen dat kleine stukjes klei in het belletje terechtkomen. Diezelfde klei katalyseert voor het ontstaan van grote strengen RNA. Ook ontdekte Szotak een bijzonder selectiemechanisme, dat ervoor zorgt dat het best replicerende DNA in de bellenzee de beste bubbels gaat bezetten. Naarmate RNA zich beter repliceert, worden de belletjes namelijk groter en slokken ze hun kleinere buren op. Maar welke RNA-moleculen, zeg maar oergenen, er in zo’n belletje terecht kwamen en de fenomenale evolutie op gang brachten, dat is nog een raadsel. “Het kunnen er maar een paar zijn geweest,” aldus prof. George Church van Harvard University, die om het raadsel te kraken vorig jaar het bedrijf Codon Devices opzette, dat de synthese op chip van steeds grotere stukken kunstmatig DNA tegen lage prijzen mogelijk moet maken. “Mogelijk waren het voorlopers van het ribosoom.” Church heeft op chip ondertussen de 21 genen van het ‘intelligente’ deel van het ribosoom kunstmatig nagebouwd. Samen met Forster heeft hij ook een code bedacht voor een kunstmatige cel, die zich kan delen. Het is de kortste code tot nu toe. ‘We hebben een minimale lijst van genen opgesteld voor eiwitproductie. De toevoeging van een paar extra genen moet voldoende zijn voor een minimale cel,’ zegt Forster. Werkt de Church-cel inderdaad, dan gaan de genetici met zelfgekozen genetische letters, codes en bouwstenen de cel proberen te perfectioneren. Een gevaarlijke industrie Ondertussen heeft de revolutie de eerste aanzet tot een tegenbeweging gegeven. Op weg naar de oplossing van het levensraadsel blijken immers ook ’s levens voornaamste vijanden, virussen, kunstmatig tot leven te kunnen worden gewekt, zoals het virus voor de Spaanse griep en het poliovirus. Zo lijkt zich precies te voltrekken wat cultuurpessimist Martin Rees enkele jaren geleden in Our final century voorspelde: de geboorte van een nieuwe industrie, voortgestuwd door commerciële belangen, met een in potentie desastreuze vernietigingskracht. Een synthetisch virus in handen van een kwaadwillende terrorist kan namelijk miljarden mensen het leven kosten. ‘Ik schat de kans dat de mensheid de tweeëntwintigste eeuw haalt om deze reden op fifty-fifty,’ stelde hij in zijn boek. Vorige maand inventariseerden wetenschappers van de Nationale Academie in Washington de potentiële risico’s. ‘Het gevaar is extreem breed geworden,’ stelde Drew Endy van MIT, een van de oprichters van Codon Devices, in het blad Technology Review. ‘We hebben echter wel concrete plannen klaar om risico’s te kunnen beperken.’ Deze tekst werd gepubliceerd in C2W.