Synthetisch leven bouwen in het lab

Het project genaamd EVOLF bouwt voort op eerdere initiatieven die in 2017 van start gingen, maar het doel – een kunstmatige cel bouwen – hebben ze nog niet behaald. "We weten uit het eerdere onderzoek ongeveer welke componenten we nodig hebben om een minimale cel te bouwen, maar die samen te laten werken is een heel nieuwe uitdaging die we de komende jaren in Wageningen gaan aanpakken” zegt Nico Claassens, universitair hoofddocent microbiologie. Samen met hoogleraren John van der Oost en Thijs Ettema werkt hij vanuit Wageningen mee aan het grote onderzoek. Wij ondervroegen hem over de rol van WUR in het project.

Leven bouwen uit levenloze biomoleculen, hoe pak je dat aan?

“Het begint met het identificeren van de essentiële bouwstenen die een cel nodig heeft om te functioneren. Uit eerdere onderzoeken hebben we een idee gekregen van deze basiselementen. Dat zijn grofweg vijftien modules, waaronder de energievoorziener, het DNA-kopieerapparaat en een eiwitproducent. In theorie zouden die componenten samen biologische processen moeten opstarten die leven mogelijk maken. Eerder voegden we die componenten al samen in een vetblaasje, maar het bleef dusver slechts een levenloze zak vol moleculen.”

We vermoeden dat we evolutie moeten gebruiken om de biologische bouwblokken op elkaar af te stemmen

Wat gaan jullie in het vervolgproject anders doen om het wél te laten slagen?

“In de eerste pogingen om leven te bouwen knutselden we cellen in elkaar door bouwblokken uit verschillende domeinen van het leven bij elkaar te gooien. bouwblok dat zorgt voor celdeling kwam dan bijvoorbeeld uit een bacterie, terwijl we het DNA-kopieerapparaat uit een bacterievirus haalden. Die twee zijn niet gewend om samen te werken, terwijl die processen in de cel juist perfect op elkaar afgestemd moeten zijn. In de evolutie hebben de componenten zich zo aangepast dat ze optimaal samenwerken met hun natuurlijke partners in de cel. John van der Oost en ik vermoedden destijds al dat evolutie een belangrijke rol speelt en we dat moeten benutten om de biologische bouwblokken op elkaar af te stemmen. Dat gaan we nu doen, onder andere met de evolutie-expertise van Thijs Ettema.”

Dat klinkt ingewikkeld.

“Inderdaad. Het probleem van de kunstmatige cel is dat die nog niet leeft of deelt. En precies die celdeling, en met name de bijbehorende verdubbeling van het DNA, zorgt voor evolutie. Tijdens het kopiëren van het DNA sluipen er kleine foutjes in die soms goed uitpakken. We staan dus voor een klassiek kip-en-eiprobleem: om de cel te laten functioneren hebben we op elkaar ingespeelde celcomponenten nodig, maar die ontstaan alleen wanneer ze samen evolueren in een levende cel.”

Hoe kun je zulke bouwblokken dan op elkaar afstemmen?

“We gaan proberen het probleem te omzeilen door levende bacteriecellen te ‘kapen’. We vervangen dan specifieke celonderdelen door de eenvoudige machinerie van de kunstmatige cel. Terwijl de bacterie groeit en zich deelt, evolueert ons geïntegreerde onderdeel mee. We hebben al enkele individuele modules bestudeerd. De volgende stap is om meerdere modules samen te voegen. Hoe langer ze samen moeten werken, hoe beter ze op elkaar ingespeeld raken, net als een team voetballers.”

Stel dit lukt allemaal. De grens tussen leven en levenloos is nogal vaag. Wanneer beschouwen jullie iets als (synthetisch) leven?

“Wetenschappers zijn het niet volledig met elkaar eens wat leven precies is. Er bestaan talloze definities, elk met hun eigen nuances en filosofische overwegingen. Als consortium hebben we hier uitgebreid over gedebatteerd, maar uiteindelijk hebben we besloten om gewoon aan de slag te gaan, in plaats van ons eindeloos te filosoferen over wat leven is. In het project werken overigens wel ethici en filosofen mee die zich met precies dit onderwerp bezighouden.”

Maar wanneer zien jullie het project dan als geslaagd?

“Als de kunstmatige cel zich binnen enkele dagen drie keer deelt, zelfs als we een beetje moeten valsspelen door extra voedingsstoffen toe te voegen. Zolang de cel en al zijn inhoud deelt, is onze missie geslaagd.”

Het blijft een ambitieus project. Even eerlijk: hoe groot is de kans dat jullie daadwerkelijk leven bouwen in het laboratorium?

“Toen Cees Dekker, de leider van het project van TU Delft, vijftien jaar geleden met dit idee op de proppen kwam, noemden andere onderzoekers het een bizar idee. Ook ikzelf was sceptisch toen ik voor het eerst in aanraking kwam met het project, zo’n acht jaar terug. Maar het idee en het onderzoek is volwassener geworden. We werken samen met wetenschappers uit het hele land en gebruiken evolutionaire kennis, moderne DNA-technieken en kunstmatige intelligentie. Het naïeve is eraf en dat maakt me voorzichtig optimistisch. Maar of het ons daadwerkelijk gaat lukken in de komende tien jaar, durf ik nog niet te zeggen.”

Waarom doen jullie dit? Wat levert het op?

“Ondanks eeuwen aan biologisch onderzoek, weten we nog steeds niet hoe sommige biologische bouwstenen interageren of hoe het leven ontstaat uit een verzameling moleculen. We kunnen de bouwprincipes van het leven pas echt goed begrijpen als we het zelf maken. Bovendien zullen we door leven te bouwen ongetwijfeld onverwachte en fundamentele ontdekkingen doen waar we ons nu nog geen voorstelling bij kunnen maken. Bovendien kan dit onderzoek leiden tot praktische toepassingen. Met een dieper begrip van de biologische principes van cellen, kunnen we bijvoorbeeld cellen efficiënter maken. Denk aan cellen die medicijnen afleveren in het lichaam, of verbeterde 'cellulaire fabriekjes' voor de productie van plastic, ethanol en insuline.”