Combineerbaar als LEGO-stenen – Onderzoekers ontwikkelen gen-bouwdoos voor groenalgen

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van juniorprofessor Dr. Felix Willmund (links) en professor Dr. Michael Schroda heeft een gen-bouwdoos ontwikkeld voor de groene alg. (Foto: Koziel/TUK)

De grafiek toont hoe de bouwdoos werkt. De individuele gen-blokken kunnen worden gecombineerd zoals Legoblokken. (Foto: Schroda)

In het erfgoed van de cellen lijkt het op fabrieken: genen sturen en reguleren de eiwitproductie. In de industrie is een bouwstenenprincipe vaak handig, waarbij productielijnen kunnen worden verwisseld wanneer een ander product gemaakt moet worden. Ook onderzoekers werken eraan om gen-bouwstenen zoals Lego-steentjes op verschillende manieren te combineren. Een dergelijk bouwpakket met 119 gen-functie-eenheden voor een groene alg heeft nu een internationaal onderzoeksteam met biologen uit Kaiserslautern ontwikkeld. Zo kunnen uit de algen mini-fabrieken worden gebouwd die bijvoorbeeld kleurpigmenten of medische werkstoffen produceren. De studie is gepubliceerd in het vakblad "ACS Synthetic Biology".

Legosteentjes bestaan in veel verschillende maten, kleuren en vormen. Ze kunnen eindeloos worden samengevoegd. Net zoals bij deze kleine bouwstenen willen onderzoekers ook delen van genen combineren.

Een gen bestaat uit verschillende functieneenheden. Zo is er aan het begin van een gen-sequentie bijvoorbeeld de zogenaamde promotor. "Hij regelt de activiteit van het gen en zorgt ervoor dat slechts een bepaalde hoeveelheid eiwit wordt gevormd of dat het gen slechts een bepaalde tijd wordt afgelezen", zegt professor Dr. Michael Schroda, die aan de Technische Universiteit Kaiserslautern (TUK) de leerstoel "Moleculaire Biotechnologie en Systeembiologie" bekleedt.

Het team rond Schroda werkt eraan om genen in deze afzonderlijke eenheden te verdelen. Naast de promotor is er nog een leesgebied met de genetische informatie, dat in veel functionele blokken kan worden onderverdeeld: bijvoorbeeld diegene die een eiwit naar bepaalde gebieden in de cel dirigeren, het laten oplichten of waarmee het eenvoudig uit cellenextracten kan worden gehaald. Er is ook een stopgebied, waarin het aflezen van de genetische informatie eindigt. "Ons doel is om dergelijke eenheden van verschillende genen willekeurig te combineren", zegt de professor verder.

In zijn huidige studie is het de internationale onderzoeksgroep, waaronder de werkgroepen van Schroda en zijn collega uit Kaiserslautern, juniorprofessor Dr. Felix Willmund, gelukt om een bouwpakket van 119 genetische functieneenheden voor de groene alg Chlamydomonas reinhardtii te maken. Net zoals Lego-steentjes kunnen deze genetische bouwstenen eenvoudig worden samengevoegd. "Dat is mogelijk omdat deze bouwstenen gestandaardiseerd zijn. Ze hebben altijd gedefinieerde sequenties aan hun uiteinden, zodat ze in een bepaalde volgorde kunnen worden samengesteld", legt de biologe uit Kaiserslautern uit.

Het bijzondere aan de studie: het gaat om een hogere organisatie - een eukaryoot zoals het in vakjargon heet. Tot nu toe waren dergelijke bouwstenen vooral voor lagere organismen zoals bacteriën beschikbaar. "De groene alg is veel complexer en heeft bijvoorbeeld meer genen", zegt juniorprofessor Willmund, die onderzoek doet naar eukaryotengenetica. "Net als bacteriën vermeert ze zich echter heel snel, wat haar ook interessant maakt voor industriële productie."

De groene algen zouden bijvoorbeeld als microfabrieken kunnen worden ingezet. "Met behulp van het gen-bouwpakket kun je in relatief korte tijd verschillende eiwitten produceren, variërend van kleurpigmenten tot werkstoffen die in de geneeskunde worden gebruikt", zegt Willmund. Maar de methode is ook interessant voor fundamenteel onderzoek. "Hiermee kunnen we metabole routes eenvoudig aanpassen en nauwkeuriger bestuderen", noemt Schroda als voorbeeld.

Schroda doet onderzoek op het gebied van synthetische biologie. Bij dit nog relatief jonge onderzoeksgebied gaat het onder andere om het creëren van nieuwe biologische systemen en het overbrengen van kennis uit de ingenieurswetenschappen naar moleculaire processen.

Daarbij worden ook standaarden en normen vastgesteld, zoals bijvoorbeeld bij de uiteinden van de gen-bouwstenen. Hierdoor zijn deze als modules eenvoudig te hanteren en kunnen ze willekeurig worden gecombineerd.

De werkzaamheden vonden plaats binnen de Sonderforschungsbereich (SFB Transregio TRR175) "The Green Hub – De chloroplast als centrum van acclimatisering bij planten". Deze wordt sinds 2016 gefinancierd door de Deutsche Forschungsgemeinschaft. Onderzoekers uit Berlijn, Potsdam-Golm, München en Kaiserslautern onderzoeken hier hoe planten zich aanpassen aan veranderende milieufactoren.

Naast de onderzoekers uit Kaiserslautern waren ook collega’s uit Frankrijk, Engeland, Denemarken, Spanje en Bielefeld betrokken bij de studie. Het werk is gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad "ACS Synthetic Biology": "Birth of a photosynthetic chassis: MoClo toolkit enabling synthetic biology in the microalga Chlamydomonas reinhardtii"

DOI: 10.1021/acssynbio.8b00251