Synthetische Biologie

Met behulp van bouwstenen die de natuur biedt, zoals bacteriën en schimmels, maar ook met delen van eiwitten en stukken DNA, kunnen synthetisch biologen zaken ontwerpen zoals nieuwe samenstellingen van darmflora, nieuwe planten, nieuwe medicijnen of andere nieuwe biologische systemen.

Die nieuw ontworpen zaken zetten onderzoekers in voor:

• het beter voeden van mensen,
• het verbeteren van de gezondheid en
• een duurzamer milieu.

Synthetische biologie is bij uitstek een onderzoeksgebied voor ingenieurs en biologen. In de synthetische biologie maken zij nieuwe stoffen, zoals medicijnen, of compleet nieuwe biologische systemen die niet eens in de natuur hoeven voor te komen, door bijvoorbeeld (onderdelen) van cellen opnieuw te ontwerpen.

Synthetische biologie is ontwerpen in de biologie, geïnspireerd door industrieel ontwerpen. We kennen die aanpak bijvoorbeeld van de ontwikkeling van nieuwe auto’s. Daarbij worden modules zoals motor, chassis, velgen en dergelijke, dus onderdelen waarvan de ontwerpers precies weten waar ze voor dienen en wat de eigenschappen zijn, gecombineerd in een nieuw en beter ontwerp.

Dankzij het gebruik van computers en biologische kennis kunnen tegenwoordig ook in de biologie nieuwe ontwerpen worden gemaakt, van medicijnen, cellen, planten, darmflora-samenstellingen en andere biologische systemen. Biologen gebruiken voor hun ontwerp steeds onderdelen die de natuur ze biedt en waarbij ze weten wat de eigenschappen van die onderdelen zijn.

Bij het ontwerpen van een nieuwe darmflora gaat het om het combineren van verschillende soorten micro-organismen die in darmen voor kunnen komen en die ieder een eigen rol hebben. Bij het ontwerpen van nieuwe medicijnen worden bijvoorbeeld nieuwe combinaties gemaakt van onderdelen van eiwitten waarvan de ontwerpers precies weten wat de functie en de activiteit van die onderdelen is. En voor het efficiënt en betrouwbaar produceren van nieuwe smaakstoffen of andere waardevolle biochemische stoffen worden micro-organismen ontworpen met genetische elementen die daarvoor dienen.

Systeembiologie wordt gebruikt om onderzoek te versnellen en om maatschappelijke problemen aan te pakken. In de systeembiologie wordt kennis gebruikt die uit heel veel andere vakgebieden afkomstig is, zoals microbiologie, natuurkunde, scheikunde en geneeskunde.

Met synthetische biologie kun je ‘biologisch ontwerpen in de computer’. Theoretisch kun je alles wat we kennen uit de biologie, opnieuw ontwerpen. Nieuwe planten, smaakstoffen, bodemflora, betere fotosynthese, ectetera. In de computer zit databases met allerlei biologische onderdelen waarvan we precies weten wat ze doen en wat hun sterke en zwakke punten zijn. Synthetisch biologen combineren die onderdelen tot een nieuw ontwerp.

Voorbeelden synthetische biologie

Een voorbeeld: In de computer zit een database met honderden soorten micro-organismen die in je darmen aanwezig kunnen zijn. Daarbij staat informatie over iedere soort, zoals welke voedingsstoffen ze nodig hebben, hoe snel ze zich vermeerderen, welke andere soorten micro-organismen voor- en nadeel hebben bij deze soort, enzovoort. Stel, er zijn patiënten die een bepaald probleem hebben met hun darmen omdat er zich een bepaald eiwit ophoopt doordat hun lijf veel van dat eiwit maakt. Dan zou je een nieuwe darmflora kunnen ontwerpen die verrijkt is met micro-organismen die juist dat eiwit kunnen afbreken. Als patiënten die darmflora krijgen toegediend, hebben ze daarna als het goed is minder last van darmproblemen.

Meer soorten planten

Plantenrassen kunnen steeds sneller en nauwkeuriger genetisch aangepast worden met als doel hun diversiteit binnen en tussen soorten uit te breiden. Zodat ze bijvoorbeeld minder vatbaar zijn voor perioden van droogte, insecten plagen of infecties door schimmels, bacteriën of virussen.

Voedselproductie efficiënter en duurzamer

Daarnaast kan synthetische biologie de voedselproductie efficiënter en duurzamer maken. Voorbeelden zijn het op een andere manier en/of efficiënter produceren van voedingssupplementen zoals eiwitten, geur- en smaakstoffen. Ook kunnen technieken worden ontwikkeld voor het verbeteren van de productie, houdbaarheid en kwaliteit van voedselproducten.

Kan het ontwerp ook uitgevoerd worden?

Je bent er natuurlijk niet met een ontwerp alleen. Je moet ook de beschikking hebben over technieken om het ontwerp ook echt uit te voeren. De ontwerpers in de synthetische biologie houden daar van het begin af aan rekening mee. Je wilt immers dat je ontwerp ook écht gebruikt gaat worden. In het voorbeeld van de nieuwe darmflora moet er bijvoorbeeld een techniek beschikbaar zijn waarmee een patiënt die nieuwe darmflora op een goede manier in de darmen kan krijgen.

Werkt een ontwerp zoals verwacht?

Zelfs bij de productie ben je er nog niet. Een nieuw ontworpen auto moet bijvoorbeeld getest worden om te zien of de combinatie van de onderdelen inderdaad op allerlei soorten wegdek voor het beoogde rijgedrag zorgen. Zoiets moet met bijvoorbeeld een nieuwe plant ook uitgezocht worden. Werkt de plant zoals de ontwerpers bedacht hebben? Dat is bij levende zaken zelfs nog lastiger met zekerheid te voorspellen dan bij iets dat ook al ingewikkeld is, zoals een auto. Er is dus altijd onderzoek nodig om uiteindelijk tot iets te komen dat goed werkt en geen andere nadelen heeft.

Genetische modificatie is één van de gereedschappen die synthetisch biologen kunnen gebruiken om hun ontwerp uit te voeren. Daarbij is heel vaak sprake van een combinatie van meerdere genetische elementen die met moderne technieken op maat worden gemaakt en daarna worden overgebracht. Als ze bijvoorbeeld een bacterie ontwerpen die bodemvervuiling kan afbreken, maken biologen een combinatie van genen die ervoor zorgen dat de bacterie de vervuilende stof kan detecteren en genen die er voor zorgen dat de vervuiling wordt afgebroken in onschuldige componenten. De genen worden dan via genetische modificatietechnieken bij de bacterie ingebracht.

Synthetische biologie bouwt vaak voort op kennis uit de systeembiologie. Systeembiologie bestudeert biologische systemen, waarbij steeds ‘omhoog en omlaag’ wordt gekeken. Daarvoor gebruiken systeembiologen computerprogramma’s die de werkelijkheid benaderen. Resultaten uit onderzoek aan bijvoorbeeld plantencellen wordt in die computermodellen verbonden met resultaten uit onderzoek aan moleculen in de plant (een ‘lager’ niveau) en aan complete planten (een hoger niveau). Zo ontstaat een veel beter begrip van biologische systemen en de bouwstenen er van. Dat begrip is cruciaal om nieuwe biologische systemen te kunnen ontwerpen, en dus heel belangrijk voor de synthetische biologie.

- Helaas, uw cookie-instellingen zijn zodanig dat de video niet getoond kan worden - pas uw permissie voor cookies aan

Synthetische biologie is van zichzelf veilig. Het gaat immers alleen om het bedenken en ontwerpen van nieuwe dingen. Als een ontwerp ook echt wordt uitgevoerd en er dus een product wordt gemaakt, moet het product voldoen aan alle eisen die in Nederland gelden, zodat ook de producten veilig zijn. Daarbij kun je denken aan eisen voor voedselveiligheid, medische veiligheid, milieuveiligheid, enzovoorts.

In sommige gevallen is niet alleen het product, maar ook de manier waarop het product gemaakt wordt belangrijk. Als synthetische biologen bijvoorbeeld een ontwerp hebben gemaakt waarbij genetische modificatie nodig is om het ontwerp echt uit te voeren, dan moeten de producent en het product voldoen aan alle veiligheidseisen die aan gentech-producten worden gesteld. Daarnaast kan de synthetische biologie-aanpak zelfs voor extra borging van veiligheid zorgen als ontwerpers van het allereerste begin af aan rekening houden met de veiligheid van het product dat ze uiteindelijk gaan ontwikkelen. Die aanpak wordt ook wel ‘safety by design’ genoemd.

Binnen Wageningen University & Research (WUR) is veel aandacht voor synhetische biologie. Door eigen investeringen zijn er verschillende nieuwe onderzoeksprogramma’s mogelijk gemaakt.

Onderzoekers van WUR werken aan ontwerpen voor hele kleine én hele grote zaken. Bij kleine dingen kun je denken aan nieuwe eiwitten die als medicijn gebruikt kunnen worden. Dankzij de kennis over eigenschappen van de onderdelen waar eiwitten uit bestaan, maken onderzoekers nieuwe ontwerpen voor nieuwe medicijnen.

De onderzoekers werken ook aan nieuwe cellen, nieuwe organen, zoals een elektrische neus die gemaakt is van zogenaamde receptorcellen en nieuwe planten. Complete ecosystemen, zoals bodem- en darmflora, zijn het ‘grootste’ waaraan Wageningse onderzoekers met synthetische biologie werken.

Wageningen Food Safety Research beoordeelt voedselveiligheidsaspecten

Het Wageningen Food Safety Research draagt bij aan een verantwoorde introductie van nieuwe producten. Dit doen ze door een bijdrage te leveren aan regelgeving en onderzoek en het nauw volgen van de nieuwste ontwikkelingen en toepassingen op het gebied van synthetische biologie. Met kennis en expertise beoordelen ze voedselveiligheidsaspecten. Samen met andere onderdelen van de WUR en het RIVM kijkt Wageningen Food Safety Research wat de ontwikkeling betekent op het gebied van gezondheid, milieu, veiligheid en maatschappij.

• Bekijk een aantal onderzoeksprojecten over synthetische biologie

iGEM studenten-competitie

Studenten van over de hele wereld strijden al tien jaar jaarlijks voor de iGEM-trofee voor het beste ontwerp en uitvoering van een via synthetische biologie ontwikkeld micro-organisme. De studenten moeten daarbij natuurlijk rekening houden met allerlei veiligheidsaspecten van hun idee. Wageningse studenten hebben zich al een aantal jaar geplaatst voor de grote internationale finale, de jamboree. Lees meer over de competitie en synthetische biologie, over de winnaars van de voorgaande jaren en een video-archief met bijvoorbeeld beelden van de wereldwijde iGem jamboree.

• website van iGEM
• iGEM deelname vanuit Wageningen Universtiy

Biowetenschappen en Maatschappij

De Stichting Biowetenschappen een Maatschappij heeft een boekje uitgegeven over synthetische biologie, met veel voorbeelden en illustraties. Het boekje kost € 7,50, maar kan ook gratis online worden bekeken.

• Bestel het boekje bij Biowetenschappen en Maatschappij of download het als PDF

Rathenau Inistituut

Het Rathenau Inistituut heeft op hun site een aantal pagina’s over systeembiologie. Je vindt er algemene uitleg, maar ook mogelijke toekomstscenario's over synthethische biologie en de rol die het kan gaan spelen in de samenleving.

Het Rathenau Inistituut stimuleert de publieke en politieke meningsvorming over de maatschappelijke aspecten van wetenschap en technologie. Ze doen onderzoek en organiseren het debat over wetenschap, innovatie en nieuwe technologieën.

• Lees meer over mogelijke toekomstscenario’s over synthetische biologie