Wat is biotechnologie?

Transcriptie

1 biotechnologie 2 Wat is biotechnologie? Een inforeeks van

2 VIB is een non-profit onderzoeksinstituut in de levenswetenschappen. Zo'n 1100 wetenschappers en technici verrichten basisonderzoek naar de moleculaire mechanismen die instaan voor de werking van het menselijk lichaam, planten en microorganismen. Door een hecht partnerschap met vier Vlaamse universiteiten - UGent, K.U.Leuven, Universiteit Antwerpen en Vrije Universiteit Brussel - en een stevig investeringsprogramma bundelt VIB de krachten van 65 onderzoeksgroepen in één instituut. Hun onderzoek heeft tot doel de grenzen van onze kennis fundamenteel te verleggen. Met zijn technologie transfer activiteiten beoogt VIB de omzetting van onderzoeksresultaten in producten ten dienste van de consument en de patiënt. VIB ontwikkelt en verspreidt een breed gamma aan wetenschappelijk onderbouwde informatie over alle aspecten van de biotechnologie. Meer info op [email protected] 2008, 4de druk, herziene uitgave. 2

3 Biotechnologie en zijn toepassingen In de laatste kwarteeuw is de aandacht en interesse van media, groot publiek en politiek voor biotechnologie enkel gegroeid. Vanzelfsprekend, denk je. De biotechnologie is namelijk in een buitengewone stroomversnelling geraakt, boekt met rasse schreden vooruitgang en wekt als vanzelf nieuwsgierigheid op. De oude en nieuwe ethische controverses waarop de aandacht vaak is gefocust, worden door die snelle ontwikkeling wellicht ook nijpender. Toch is dat maar het halve verhaal. Een voorname reden waarom het publieke oog zich meer op biotechnologie richt, is de vaak onzichtbare, maar zeer concrete en onophoudelijke weerslag van haar toepassingen op ons dagelijkse leven. 3

4 Een definitie Biotechnologie is de studie en het gebruik van levende organismen, of delen ervan, om planten of dieren aan te passen, micro-organismen voor specifieke doeleinden te ontwikkelen en zelfs producten te maken of te wijzigen. De klassieke biotechnologie was vooral begaan met de traditionele technieken om dieren en planten te kweken, en het gebruik van bacteriën, gisten en schimmels voor de productie van brood, bier, wijn en kaas. De moderne biotechnologie duwt deze technieken een eind verder: ze past de eigenschappen van bacteriën, planten en dieren aan door rechtstreeks in te grijpen op het DNA, de code van alle erfelijke informatie. Welke toepassingen? De mogelijkheden van de biotechnologie lijken onbeperkt. Het aantal concrete toepassingsdomeinen en -producten groeit met de dag. Enkele voorbeelden: In de geneeskunde: nieuwe medicijnen en vaccins, betere methoden om ziekten en ziekteverwekkers op te sporen. In de ecologie: technieken om het milieu beter te begrijpen, te beheren, te beschermen en te herstellen; efficiëntere productie van hernieuwbare energie, zoals bijvoorbeeld bio-ethanol. In de landbouw- en de voedingssector: gewassen die beschermd zijn tegen insecten en ziekten, of tegen extreme omstandigheden als kou en droogte. 4

5 De mogelijkheden lijken onbeperkt, vertelden we net. Maar is dat wel zo? Bacteriën, planten en dieren. Medicijnen, energieën, gewassen. Ligt de grens dan bij de mens? Of zullen we binnenkort menselijke organen en zelfs individuen klonen? Zullen we de erfelijke eigenschappen van de mens kunnen wijzigen? Komt er ooit misschien een ras van supermensen? Toekomstmuziek, zegt u. En is het ondertussen koffiedikkijken? Een kijk op biotechnologie Voor de meesten van ons blijft de biotechnologie een nieuw gegeven. We horen erover op televisie, lezen erover in de krant. Soms is het nieuws wat alarmerend, blijkt de juiste toedracht niet altijd even duidelijk. Het lijkt dus erg belangrijk om er meer over te weten, om voorbereid te zijn op de vragen die de technologie onvermijdelijk oproept en zal blijven oproepen. Biotechnologie zal het middelpunt worden van een lang en breed maatschappelijk debat. Met de inforeeks 'een kijk op...', wil VIB anticiperen op en bijdragen tot dat debat door toegankelijke, onderbouwde en genuanceerde informatie aan te bieden. In deze tweede brochure start het eigenlijke verhaal opnieuw: bij de b van begin, basis en biotechnologie, bij de c van cel en de d van DNA... 5

6 De structuur van het leven De cel als bouwsteen Cellen zijn de essentiële bouwstenen van het leven. Ze liggen aan de basis van alles wat we denken en doen. Want alles wat leeft, bestaat uit cellen: wijzelf, de dieren en planten rondom ons. Sommige organismen, zoals bacteriën, bestaan slechts uit één cel. Maar wij mensen hebben er wel meer dan tienduizend miljard ( ) in ons steken, bijna evenveel als er hemellichamen zijn in het heelal... Onze cellen zijn verspreid over weefsels en organen waarin elke cel een specifieke functie uitoefent. Cellen in je maag helpen bij de vertering, cellen in je hart zorgen voor de bloedcirculatie en dankzij de cellen in je spierweefsel kun je bewegen. cel celkern met chromosomen In en rond cellen zorgen eiwitten voor zowat alle levensprocessen en -activiteiten. Ons lichaam moet dus een groot aantal verschillende eiwitten produceren. Wanneer je bijvoorbeeld in je vinger snijdt, moet de juiste hoeveelheid van de nodige eiwitten het bloed onmiddellijk doen stollen en de wonde sluiten - anders wordt een wondje meteen fataal. Cellen staan in voor de aanmaak van eiwitten. Maar hoe weten ze wanneer ze welk eiwit moeten produceren? Die informatie halen cellen uit het DNA (DeoxyriboNucleicAcid) onder de vorm van een code, zeg maar een uniek recept voor elk eiwit. En het DNA vind je in elke cel terug. 6

7 Onze cellen kopiëren DNA Niet alleen de werking van ons lichaam, maar ook die van onze geest - waarneming, besef, intelligentie, gedrag - wordt gedeeltelijk erfelijk bepaald. Een meercellig organisme zoals de mens ontstaat uit één cel: een bevruchte eicel. Uit die eenling ontstaat finaal een organisme van miljarden cellen. Het proces is er een van opeenvolgende celdelingen. Bij een celdeling verdeelt één cel zich in twee identieke dochtercellen, een fenomeen dat zich herhaalt en herhaalt en herhaalt en... Net vóór elke celdeling wordt het DNA verdubbeld, zodat elke 'dochtercel' hetzelfde genetische materiaal heeft als de oorspronkelijke 'moedercel'. Het kopiëren in de praktijk DNA is opgebouwd als een dubbele helix: 2 strengen die rond elkaar zijn gewonden als als twee in elkaar geschroefde kurkentrekkers. Bij de verdubbeling van DNA gaan de twee strengen uit elkaar. Elke streng wordt gekopieerd door speciale eiwitten die een keurig duplicaat van de code maken, met exact dezelfde opeenvolging van bouwstenen. Vervolgens winden de oorspronkelijke streng en de kopie zich om elkaar en vormen ze samen een nieuwe dubbele helix. De cel heeft nu dus twee dubbele helixen en is klaar voor deling. De twee dochtercellen krijgen elk één dubbele helix. DNA KOPIËREN (REPLICATIE) 7

8 DNA DNA bevat de erfelijke informatie die ouders doorgeven aan hun kinderen. Een cel bezit DNA met de informatie voor de aanmaak van alle eiwitten die een organisme nodig heeft. Elke cel heeft één kern waarin zich het DNA bevindt, opgerold onder de vorm van chromosomen. Een mens heeft 46 chromosomen in elk van zijn cellen. Het DNA bestaat op zijn beurt uit bouwstenen, de nucleotiden. Vier verschillende, om precies te zijn: adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T). De bouwstenen volgen elkaar in een unieke volgorde op en vormen een ketting - vergelijk ze met letters die samen een (heel lang) woord vormen. Een voorbeeld van zo'n codewoord:...gaagaggacttaccggacaag Een DNA-code die instaat voor de aanmaak van één eiwit is een gen. Elke mens heeft ongeveer genen, die de codes bevatten voor verschillende eiwitten. Deze eiwitten staan in voor alle belangrijke functies en kenmerken binnen een organisme. 8

9 Enkele termen verder uitgelegd... Eiwitten Molecules die actief zijn in de vele biologische processen. Aminozuur Bouwsteen van een eiwit. Er bestaan 20 verschillende aminozuren. T AGGACTTAC Gen Een DNA-code met het recept voor één bepaald eiwit. Nucleotide Bouwsteen van DNA. In DNA vind je vier verschillende nucleotiden terug. Chromosoom DNA - dat bestaat uit duizenden genen - compact opgerold in de celkern. DNA-weetjes Iedere menselijke celkern bevat 2 meter DNA. De kern van een cel is 200 keer kleiner dan een peperbolletje. Met het DNA uit alle cellen van een mens kan men 500 keer naar de zon en terug Een mens heeft 46 chromosomen Een kip heeft 78 chromosomen Een koe heeft 60 chromosomen Een bij heeft 16 chromosomen Het DNA van twee mensen verschilt slechts voor 0,1%. DNA is uniek voor ieder van ons Men kan DNA gebruiken om misdadigers op te sporen GAAGAGG ACTTACCG GACAAT enz 9

10 Onze cellen maken eiwitten Genen zijn DNA-codes voor de aanmaak van eiwitten. Om zo'n gen te vertalen in een eiwit gebruikt de cel RNA (RiboNucleicAcid). RNA lijkt sterk op DNA, maar heeft slechts één streng in plaats van twee. In een eerste stap wordt de DNA-code overgeschreven of gekopieerd naar RNA, de zogenaamde transcriptie. Dit RNA brengt de informatie over en heeft de toepasselijke naam 'boodschapper-rna' (mrna of messenger RNA). celinhoud celkern mrna wordt dan vertaald in een eiwit, een proces dat translatie heet. Verantwoordelijk hiervoor zijn de zogenaamde ribosomen, kleine celorganellen die de bouwstenen van het mrna lezen in groepjes van drie: de codons. Elk triplet of codon komt overeen met één aminozuur. Aminozuren zijn de bouwstenen van eiwitten. In totaal zijn er 20 verschillende aminozuren. RNA De ribosomen maken vervolgens gebruik van twee nieuwe RNA-moleculen: het rrna (ribosomaal RNA) en het trna (transfer-rna). Het trna herkent de codons en brengt de juiste aminozuren aan. Het rrna plakt ze aan elkaar. Zo ontstaat aminozuur na aminozuur een eiwit dat volledig gebouwd is volgens de oorspronkelijke DNA-code. TRANSCRIPTIE DNA-helix wijkt uiteen Informatie verzamelen Terwijl de gentechnologie steeds meer toepassingen krijgt, speuren biotechnologen naar meer informatie. In eerste instantie doen ze dit om de volledige DNA-code van verschillende organismen te ontcijferen. Dat gebeurde intussen al voor honderden bacteriën, maar ook voor meercellige organismen, waaronder de mens, de muis en het fruitvliegje. De volgende uitdaging ligt in de identificatie van de genen en de functiebepaling van de corresponderende eiwitten. Het ultieme doel: het doorgronden van alle levensprocessen. 10

11 TRANSLATIE trna aminozuur ribosoom De bouwstenen van een eiwit (aminozuren) worden aaneengeregen als kralen van een ketting. DNA op maat Alle cellen van ons lichaam bevatten hetzelfde DNA en dus de code voor alle eiwitten van ons lichaam. Maar niet alle cellen produceren al deze eiwitten. Per cel wordt slechts een aantal eiwitten aangemaakt. Spiercellen produceren bijvoorbeeld geen insuline, want dit hormoon is enkel van belang in de pancreas. Om dit te realiseren, staat er in de buurt van elk gen een stukje DNA dat aangeeft welke soort cel het eiwit in kwestie moet aanmaken: de promotor. De promotor bepaalt op welk moment en in welke hoeveelheid het DNA naar mrna wordt gekopieerd. Als er veel mrna wordt aangemaakt leidt dit tot een hoge eiwitproductie. Als de promotor echter bepaalt dat er geen mrna wordt aangemaakt, zal de cel dit eiwit dan ook niet aanmaken. De activiteit van de promotor hangt op haar beurt af van een heleboel interne en externe factoren. 11

12 Biotechnologie in de praktijk Biotechnologen krijgen met elke dag die aanbreekt meer inzicht in de processen die zich afspelen in plant, mens en dier. Ook het aantal toepassingen van biotechnologie in geneeskunde, landbouw en milieubescherming neemt duidelijk toe. Neen, het is nu wel duidelijk: deze technologie is niet meer weg te denken uit onze maatschappij. Knippen en plakken DNA-fragmenten kunnen met behulp van enzymen geknipt worden. Deze 'eiwitscharen' knippen de DNAhelix op een welbepaalde plaats in de code. Andere enzymen kunnen DNA-fragmenten dan weer aan elkaar lijmen. Je kan dit proces het best vergelijken met het montagewerk van een langspeelfilm: met knipen plakwerk worden stukken film verwijderd en op een andere plaats toegevoegd. Zo kan men heel nauwkeurig een DNA-fragment of gen aan een organisme toevoegen of eruit verwijderen. Zo worden bestaande DNA-technologie, gentechnologie, recombinant-dnatechnologie of genetische modificatie. Heel wat verschillende namen verwijzen allemaal naar hetzelfde: het gericht wijzigen van de genetische informatie in een organisme. Dit kan op verschillende manieren, soms door technieken die we in de natuur aantreffen te verfijnen. eigenschappen gewijzigd, fouten hersteld of een nieuw kenmerk aan een organisme gegeven. Aangezien de genetische code door alle levende organismen wordt gedeeld, kunnen genen van de ene soort naar een andere soort worden overgebracht. Zo kan je bijvoorbeeld een menselijk gen inbouwen in het DNA van een bacterie. 12

13 DNA-recombinatie in de natuur Om nieuwe eigenschappen aan een organisme toe te voegen of bestaande kenmerken aan te passen, moet men de relevante code op een efficiënte manier in het organisme binnen-brengen. Dit gebeurt ook al in de natuur. Bacteriën bijvoorbeeld gebruiken verscheidene methodes om genen uit te wisselen. Zo'n natuurlijke genentransfer kan gebeuren door plasmiden uit te wisselen. Plasmiden zijn kleine DNA-ringen die in staat zijn zichzelf te kopiëren. door te knippen en plakken wordt het gewenste stuk DNA in het plasmide gezet het gewijzigde plasmide wordt in de bacterie gebracht bacterieel DNA Van deze inventieve middelen maken ook wetenschappers graag gebruik. In het laboratorium kunnen biotechnologen plasmiden met behulp van enzymen openknippen, om er DNA naar keuze in te voegen. Ze laten de gewijzigde plasmiden weer door de bacteriën opnemen en bekomen zo genetisch gewijzigde bacteriën. Het grote verschil met de natuurlijke uitwisseling van DNA is het feit dat het proces in het laboratorium niet willekeurig verloopt. Enkel de gewenste stukjes DNA worden van het ene organisme naar het andere gebracht. 13

14 Gratis vervoer In de loop der jaren zijn er naast het gebruik van plasmiden nog andere technieken ontwikkeld om nieuw DNA in een cel binnen te smokkelen. Plasmiden: ringvormige stukjes DNA die in bacteriën zitten en makkelijk onderling uit te wisselen zijn. Men vervangt bepaalde genen op het plasmide door de gewenste DNA-code. Op maat gemaakte virussen: virusgenen worden weggeknipt en vervangen door het gewenste DNA, waarna het virus als een brave postbode de informatie in de cel aflevert. Het genenkanon: minuscule goudbolletjes, bekleed met DNA, worden in de cellen naar binnen geschoten. Injectie: met een kleine injectienaald wordt DNA ingebracht in een pas bevruchte eicel. Samen met het gewenste gen wordt een promotor aangebracht, die bepaalt waar, wanneer en in welke hoeveelheid het nieuwe eiwit wordt geproduceerd. Het eiwit is immers niet altijd in alle cellen nodig. DNA-injectie 14

15 Eén cel in de hand Het nieuwe DNA komt meestal slechts in enkele cellen terecht. De kneep bestaat erin om uit een dergelijke cel een volledig organisme te laten groeien (regeneratie), dat in alle cellen de nieuwe informatie bezit. Bij planten is dit relatief eenvoudig, omdat uit elke plantencel een nieuwe plant kan groeien. Cellen van mens en dier hebben zich echter zo gespecialiseerd dat ze niet zo makkelijk overtuigd kunnen worden om zich tot een nieuw organisme te ontwikkelen. Ondanks alles is het toch mogelijk. Dat werd bewezen toen men in 1996 erin slaagde de genetische informatie van een lichaamscel in te bouwen in een eicel en uit één cel een zoogdier te kweken: het schaap Dolly. Hierover vind je meer informatie in de VIB-brochure 'Klonen en celkerntransplantatie'. zij bijna volledig de insuline van dierlijke oorsprong. Voordelen: biotechnologische insuline vermijdt het risico op besmetting met dierlijke ziekteverwekkers en is in onuitputtelijke hoeveelheden voorradig. Ondertussen produceren genetisch gewijzigde bacteriën en gisten allerlei geneesmiddelen en vaccins. Verbeterde enzymen die in wasproducten een nog wittere was garanderen bij koudere temperaturen, zijnook het resultaat van GGO's. Genetisch gewijzigde gewassen zijn bestand tegen insecten of herbiciden. De gentechnologie kan ook dieren nieuwe kenmerken geven. Deze en andere voorbeelden van GGO's en hun toepassingen worden besproken in de andere brochures uit de VIB-inforeeks. GGO s De organismen die door middel van gentechnologie een nieuwe eigenschap hebben gekregen, noemt men transgene of genetisch gewijzigde organismen (GGO's). De eerste gentransfer werd in 1973 uitgevoerd bij bacteriën. Vijf jaar later slaagden wetenschappers erin om menselijke insuline in bacteriën aan te maken. Insuline wordt toegediend aan suikerzieke patiënten die niet in staat zijn het hormoon zelf aan te maken. Vandaag is biotechnologische insuline overal ter wereld te koop en vervangt Besluit Door de ingrijpende alomtegenwoordigheid van zijn toepassingen is de biotechnologie niet meer weg te denken uit onze maatschappij. Goede informatie over wat kan en niet kan, ook vanuit een ethisch perspectief, is cruciaal. Goed geïnformeerd zijn is de boodschap. Enkel zo is een evenwichtig toekomstdebat mogelijk. VIB hoopt u met deze brochure alvast een weg naar dat debat te hebben getoond. 15

16 Wat is biotechnologie? De biotechnologie staat volop in de belangstelling. Dat komt niet alleen omdat ze zich buitengewoon snel ontwikkelt, maar ook omdat haar toepassingen een heel concrete weerslag op ons dagelijks leven hebben. Meer informatie? VIB beschikt over verschillende brochures: 1. Erfelijkheid bij de mens: aan genen zijde Biotechnologie: gezondheid 4. Biotechnologie en planten 5. Klonen en celkerntransplantatie 6. De veiligheid van genetisch gewijzigde gewassen 7. Xenotransplantatie: het beest in de mens Enzymen: in je lijf en in je leven 9. Stamcellen, cellen van de toekomst? 10. Gentherapie: genen genezen Je kan ze gratis aanvragen bij VIB op onderstaand adres of downloaden via Voor meer informatie kan je contact opnemen met VIB: Rijvisschestraat 120, 9052 Gent Tel / Fax [email protected] IciLaba Gedrukt in België