Kunstmatige genen toveren bacteriën om tot medicijnfabriekjes die bestand zijn tegen virussen

De wetenschappers zeggen dat hun onderzoek kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe polymeren - grote moleculen die bestaan uit veel herhaalde eenheden, zoals proteïnen, plastics en geneesmiddelen waaronder antibiotica - en dat het de huidige productie van geneesmiddelen met bacteriën eenvoudiger en betrouwbaarder kan maken. 

De nieuwe studie bouwt voort op eerder baanbrekend werk door hetzelfde team dat in 2019 nieuwe technieken ontwikkelde om het grootste synthetische genoom ooit te maken  - de onderzoekers stelden toen het hele genoom van de veel bestudeerde bacterie Escherichia coli samen van nul af aan. 

Het gaat om een team met onderzoekers van het Laboratory of Molecular Biology van de Britse Medical Research Council (MRC) in Cambridge, die de leiding hadden over het onderzoek, en wetenschappers van de University of Cambridge. 

Het doel van de wetenschappers was om hun nieuwe technologie te gebruiken om de eerste cel te creëren die polymeren kan samenstellen volledig uit bouwstenen die niet in de natuur worden gevonden. 

Proteïnen of eiwitten zijn een polymeer en de onderzoekers probeerden dan ook kunstmatige polymeren te maken door de natuurlijke processen van de cel om proteïnen aan te maken, te gebruiken. 

De genetische code laat een cel weten hoe ze eiwitten moet maken. Eiwitten worden gemaakt door reeksen van natuurlijke bouwstenen, aminozuren genaamd, samen te voegen.

De genetische code in DNA is opgebouwd uit vier basen, adenine, thymine, cytosine en guanine, die weergegeven worden met de letters A, T, C en G. Die vier letters worden 'gelezen' in groepen van drie letters - bijvoorbeeld 'TCG' - die een 'codon' genoemd worden. 

Bij de vorming van eiwitten vertelt elk codon de cel een specifiek aminozuur toe te voegen aan de ketting en het doet dat via moleculen die tRNA (transfer-RNA) genoemd worden. Elk codon heeft een specifiek tRNA dat het herkent en het overeenstemmende aminozuur toevoegt aan de ketting. Zo zal bijvoorbeeld het tRNA dat het codon 'TGC' herkent, het aminozuur serine toevoegen.  

Met vier letters in groepen van drie zijn er 64 mogelijke combinaties van letters. Er zijn echter maar 20 verschillende natuurlijke aminozuren die de cellen meestal gebruiken. Dat maakt dat verschillende codons 'synoniemen' van elkaar kunnen zijn - ze coderen allemaal voor hetzelfde aminozuur. Zo coderen TCG, TCA, AGC en AGT allemaal voor serine. 

Daarnaast zijn er ook nog codons die een cel zeggen wanneer ze moet stoppen met het maken van een proteïne, bijvoorbeeld TAG en TAA. 

Toen het team van het Laboratory of Molecular Biology in 2019 het eerste genoom van nul af synthetiseerde voor de bacterie E. coli, nam het meteen ook de gelegenheid te baat om het genoom te vereenvoudigen.  

De onderzoekers vervingen een aantal van de codons door hun synoniemen: telkens wanneer de codons TCG en TCA voorkwamen in het genoom verwijderden ze die en vervingen ze door hun synoniemen AGC en AGT. Ook het stopcodon TAG namen ze telkens weg en dat vervingen ze door zijn synoniem TAA. 

De gemodificeerde bacteriën hadden dus de codons TCG, TCA en TAG niet meer in hun genoom maar ze konden nog steeds normale proteïnen maken, leven en groeien. 

In hun nieuwe onderzoek is het team nog een stapje verder gegaan en heeft het de bacteriën nog verder aangepast en de tRNA-molecules verwijderd die de codons TCG, TCA en TAG herkennen. Dat betekent dat - zelfs als er TCG, TCA of TAG codons in de genetische code aanwezig zijn - de cel niet meer over de molecule beschikt die deze codons kan lezen. 

Dit is dodelijk voor elk virus dat probeert de cel te infecteren, aangezien virussen zich vermenigvuldigen door hun genoom in de cel te injecteren en de 'machinerie' van de bacterie te kapen om de instructies in hun  genoom uit te voeren. 

Als de machinerie van de gemodificeerde bacterie echter probeert om het genoom van het virus te lezen, mislukt dat elke keer als het een TCG, TCA of TAG codon bereikt. 

In de studie infecteerden de onderzoekers hun bacteriën met een cocktail van verschillende virussen. De niet-gemodificeerde bacteriën werden gedood door de virussen maar de gemodificeerde bacteriën waren resistent en overleefden. 

Bacteriën resistent maken tegen virussen zou het fabriceren van bepaalde types van geneesmiddelen betrouwbaarder en goedkoper kunnen maken. Veel geneesmiddelen - bijvoorbeeld middelen op basis van eiwitten zoals insuline voor diabetespatiënten, polysacharide vaccins en proteïnesubeenheidsvaccins - worden nu geproduceerd door bacteriën te kweken die instructies bevatten om het middel aan te maken. 

"Als een virus in de vaten met bacteriën belandt die gebruikt worden om bepaalde geneesmiddelen te maken, kan het de hele partij vernietigen. Onze gemodificeerde bacteriële cellen zouden dit probleem kunnen te boven komen aangezien ze volledig resistent zijn tegen virussen. Omdat virussen de volledige genetische code gebruiken, zullen de gemodificeerde bacteriën niet in staat zijn om de genen van de virussen te lezen", zei professor Jason Chin van het Laboratory of Molecular Biology, een van de auteurs van de nieuwe studie.  

Door bacteriën met synthetische genomen te creëren die bepaalde codons niet gebruiken, hadden de onderzoekers die codons vrijgemaakt om gebruikt te worden voor andere doeleinden, zoals het coderen voor synthetische bouwstenen die monomeren genoemd worden. 

"Dit systeem laat ons toe om een gen te schrijven dat de instructies codeert om polymeren te maken uit monomeren die in de natuur niet voorkomen", zei professor Chin. 

"Deze bacteriën kunnen omgevormd worden tot hiernieuwbare en programmeerbare fabriekjes die een heel gamma van nieuwe moleculen produceren met nieuwe eigenschappen, wat nuttig zou kunnen zijn voor de biotechnologie en de geneeskunde, onder meer door het maken van nieuwe geneesmiddelen, zoals nieuwe antibiotica."

"We zouden deze bacteriën graag gebruiken om lange synthetische polymeren te ontdekken en te bouwen die zich opvouwen in structuren, en die nieuwe categorieën van materialen en geneesmiddelen kunnen vormen. We zullen ook toepassingen van deze technologie onderzoeken om nieuwe polymeren te ontwikkelen, zoals bio-afbreekbare plastics, die zouden kunnen bijdragen tot een circulaire bio-economie", zei Chin. 

De onderzoekers maakten bacteriën die tRNA's produceerden die gekoppeld waren aan kunstmatige monomeren, en die tRNA's herkenden de opnieuw beschikbare codons TCG en TAG. 

Het team bracht ook genetische sequenties met reeksen van TCG en TAG codons in het DNA van de bacteriën in. Die codons werden gelezen door de aangepaste tRNA's, die reeksen van synthetische monomeren samenbrachten in de volgorde die werd aangegeven door de volgorde van de codons in het DNA.   

De cellen werden geprogrammeeerd om monomeren in verschillende volgorden aan elkaar te rijgen door de volgorde te wijzigen van de TCG en TAG codons in de genetische sequentie. 

De onderzoekers konden ook polymeren met verschillende monomeren samenstellen door andere monomeren te koppelen aan de tRNA's. 

Het team was in staat om polymeren te creëren die bestonden uit tot wel acht samengevoegde monomeren. De onderzoekers voegden de uiteinden van die polymeren samen om zogenoemde macrocyclische verbindingen te maken - een soort van molecule die de basis vormt van sommige geneesmiddelen, zoals bepaalde antibiotica en middelen tegen kanker. 

In de studie werden de kunstmatige monomeren met elkaar verbonden door dezelfde chemische verbindingen die aminozuren in eiwitten met elkaar verbinden, maar de wetenschappers onderzoeken hoe ze het gamma van verbindingen die gebruikt kunnen worden in de nieuwe polymeren kunnen uitbreiden. 

"Onderzoek in synthetische en technische biologie zoals dit heeft een enorm potentieel om een belangrijke impact te hebben op de biofarma en andere industriële toepassingen", zei doctor Megan Dowie, het hoofd van de afdeling moleculaire en cellulaire geneeskunde van de Medical Research Council die het onderzoek gefinancierd heeft. 

De studie van het team is gepubliceerd in Science. In hetzelfde nummer hebben twee wetenschappers van het Boston College ook een 'perspectief-artikel' over de studie geschreven 'Rewriting the genetic code'. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van UK Research and Innovation.