Ggo’s temmen met fluoride

Michelle OMalley SN10

Beeld: Lillian McKinney

Biotechnologen roeien de genetisch gemodificeerde organismen die ze maken in het lab in dit geval niet uit met antibiotica, maar met een veel simpelere, goedkopere stof die bovendien niet bijdraagt aan het groeiende resistentieprobleem: fluoride.

Voor onderzoekers en producenten is het gebruik van eencellige genetisch gemodificeerde organismen (ggo’s) dagelijkse kost. Door het DNA van bijvoorbeeld een gist of bacterie te bewerken, kun je het organisme stoffen laten produceren die toepasbaar zijn in geneesmiddelen, voeding en andere producten. Insuline en citroenzuur kunnen bijvoorbeeld zo worden gemaakt. Daarnaast gebruiken biotechnologen ggo’s om onderzoek te doen naar allerlei zaken: (onderdelen van) cellen, genetica, geneesmiddelen, voeding, noem maar op.

Een van de uitdagingen van zulk onderzoek, is dat de gebruikte ggo’s binnen de grenzen van het laboratorium moeten blijven. Biocontainment wordt dit genoemd. Als een genetisch gemodificeerde gist of bacterie in het milieu belandt en succesvol voortplant, valt namelijk niet te voorspellen welke nieuwe eigenschappen het organisme introduceert in de natuur. Daarbij zijn de ggo’s die antibiotica-resistent zijn gemaakt extra belangrijk. Die kunnen namelijk bijdragen aan het groeiende probleem van overmatig antibiotica-gebruik, waardoor steeds meer organismen resistent worden en antibiotica dus minder effect hebben.

Alternatief selectiemiddel

Ook Michelle O’Malley, chemical engineer bij de Universiteit van Californië in Santa Barbara (UCSB), en haar collega-onderzoekers gebruiken antibiotica-resistentie ggo’s voor hun onderzoek. Maar waarom eigenlijk? “Stel je voor dat we een bepaalde cel genetisch modificeren en alleen die aangepaste cellen willen overhouden voor verder onderzoek. Dan passen we de genetische code van deze cel zo aan, dat die resistent is tegen een bepaald antibioticum. Vervolgens laten we de cellen groeien en vermeerderen. Het antibioticum doodt daarna alle cellen die niet gemodificeerd zijn, want die zijn niet resistent. Zo houden we alleen de aangepaste organismen over”, legt O’Malley uit in het nieuwsbericht van UCSB.

‘We passen de genetische code van de cel zo aan, dat die resistent is tegen een bepaald antibioticum’

Justin Yoo, onderzoeker in het lab van O’Malley, vond een nieuwe, verrassend simpele methode die kan bijdragen aan een oplossing voor de containment- en antibioticaproblemen. In de hoofdrol staat fluoride, de negatief geladen vorm van fluor. O’Malley omschrijft fluoride als ‘een vrij onschuldige, in overvloed beschikbare stof die van nature voorkomt in bijvoorbeeld grondwater.’ Desondanks is de stof toxisch voor micro-organismen.

Een bacterie bijvoorbeeld, neemt stoffen zoals fluoride vanzelf op uit de omgeving. Fluoride passeert de celwand passief, want die bestaat uit een membraan waar bepaalde stoffen vanzelf doorheen ‘drijven’. Dat is wel afhankelijk van eigenschappen zoals formaat, lading en het concentratieverschil binnen en buiten de cel. Omdat fluoride toxisch is voor de bacterie, heeft die een eiwit in de celwand dat fluoride actief weer naar buiten werkt, een fluoride-exporter.

DNA-instructie

Net als voor ieder eiwit, heeft het eencellige organisme een gen dat codeert voor die exporter. En daar heeft Yoo slim gebruik van gemaakt. Hij paste een alledaagse techniek toe, homologe recombinatie, om het gen dat codeert voor de fluoride-exporter uit te schakelen. Doordat het niet meer functioneert, maakt de cel die exporter niet meer. Het organisme kan de binnenkomende fluoride dus niet meer naar buiten werken en gaat dood. In het lab kan zo’n cel wel overleven, want de onderzoekers zorgen voor een comfortabele omgeving zonder fluoride. Weet de ggo onverhoopt te ontsnappen en komen er cellen in het milieu terecht, dan gaan deze dood zodra ze fluoride tegenkomen in bijvoorbeeld grondwater.

Yoo voerde de hele studie uit in een maand tijd, een heleboel voorwerk was namelijk al gedaan. Samen met onder meer collega-onderzoeker Susanna Seppala, co-auteur van de paper, deed hij onderzoek naar fluoride-transportereiwitten in anaerobe schimmels. Ze wilden de transporters onderzoeken door de genetische code te implementeren in gist. Maar dan moet je wel eerst de oorspronkelijke code voor het eiwit dat van nature in de gist voorkomt verwijderen.

‘Laaghangend fruit, maar kom er maar eens op’

Kort daarna bezocht Yoo een conferentie over synthetische biologie, waar ook aandacht werd besteed aan bacteriën die binnen de grenzen van het lab moeten worden gehouden. “Ik realiseerde me toen dat de aangepaste giststam die ik destijds had gemaakt wel eens zou kunnen functioneren als effectief biocontainment platform.”

“Laaghangend fruit”, noemt O’Malley de studie, maar kom er maar eens op. “Justin heeft een serie DNA-instructies gecreeerd die je aan cellen kunt geven, zodat ze overleven in een omgeving waarin fluoride aanwezig is”, zegt O’Malley. Dit vervangt de eerder beschreven methode waarbij je DNA toevoegt aan een ggo zodat het organisme antibioticaresistent wordt.

Credit Lillian McKinney fluoride_Ill_Lilli_hires

Artists impression
De illustratie toont het concept waarin cellen die zijn behandeld met antibiotica (rood) zich voortplanten in een rivieromgeving, terwijl cellen die genetisch zijn gemodificeerd om het gen te verwijderen dat de fluoride-exporteur (groen) produceert, afsterven in de aanwezigheid van fluoride.

Goedkoop, efficiënt, breed toepasbaar

Een bijkomend voordeel van de fluoridemethode is dat het veel goedkoper is. “Het creëren van antibioticaresistente organismen is verdraaid duur”, zegt O’Malley. “Stel dat je een experiment runt in een bioreactorvat van tienduizend liter, dan kost het al snel duizenden dollars per experiment om wat antibiotica toe te voegen. Dat is voor biotech-begrippen heel veel geld.” Fluoride daarentegen zou slechts zo’n 4 cent per liter kosten.

Opkomende methodes voor biocontainment kijken vooral naar biologische onderdelen die onbekend zijn voor het organisme dat je binnen de deuren van de labzaal wil houden. De focus is daarbij verplaatst naar, zoals Yoo ze noemt, ‘briljante, maar complexe systemen.’ Dat leidt de aandacht wellicht af van simpeler benaderingen zoals die met fluoride.

Yoo gebruikte voor zijn onderzoek specifieke gistsoorten, de onderzoekers verwachten dat de insluitingstrategie breed toepasbaar is in verschillende organismen die relevant zijn voor de biotechnologie, schrijven ze in de paper die werd gepubliceerd in wetenschappelijk tijdschrift Nature Communications. Als het aan Yoo, O’Malley en hun collega’s ligt, gaan we antibiotica in het lab en industriële settings waar mogelijk vervangen door fluoride: een relatief onschuldige, goedkope stof, in overvloed verkrijgbaar.

Dit artikel uit EVMI magazine is tijdelijk voor iedereen online te lezen. Smaakt het naar meer, maar ben je nog geen abonnee? Klik dan hier

 

Lees ook
DNA-cruiser

DNA-cruiser

Van links naar rechts: D’Allesandro, Kruize en Rahouani Bij VHL Genetics in Wageningen staat een volledig geautomatiseerd systeem dat DNA-extracties met een enorme snelheid uit kan voeren - voor maar liefst 40.000 monsters per dag.  Want ook in laboratoria wint automatisering steeds meer terrein.  Wie kan er beter vertellen over de...

TLR ondersteunt Nederland met COVID-19 testcapaciteit

TLR ondersteunt Nederland met COVID-19 testcapaciteit

Het Rotterdamse laboratorium TLR gaat ondersteuning geven aan het vergroten van de COVID-19 test capaciteit in de regio Zeeland. Het Rotterdamse laboratorium is gewend om snel te schakelen en capaciteit op te schalen. Zo heeft zij in 2017 ook de Nederlandse Voedsel en Waren Autoriteit NVWA ondersteund in de Fipronil affaire.

Samenwerking TU/e en Marel in nieuw AI lab

Samenwerking TU/e en Marel in nieuw AI lab

De Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) heeft samen met vier industriële partners, waaronder Marel, een nieuw Artificial Intelligence (AI) lab opgezet. Dit lab heeft als doel de besluitvorming in productie en onderhoud met behulp van kunstmatige intelligentie te verbeteren.