ONTWIKKELING VAN DE BIOTECHNOLOGIE Biotechnologie omvat technieken en productieprocessen waarbij gebruik wordt gemaakt van levende organismen of delen van organismen. Erfelijkheidsmateriaal Friedrich Miescher (1844 1895) probeerde uit kernen van cellen eiwitten te isoleren, maar vond een stof met zure eigenschappen. Hij noemde die stof nucleïnezuur. De meeste wetenschappers dachten met Miescher dat de eiwitten verantwoordelijk waren voor overerving van kenmerken. Walther Flemming (1843 1905) zag in 1879 draadjes in celkernen. Bij celdeling verdubbelden de draadjes. Die draadjes werden chromosomen genoemd omdat ze makkelijk kleurstof opnamen (chroma = kleur; soma = lichaam). De chromosomen bestonden uit nucleïnezuur en eiwitten. Na de herontdekking van de erfelijkheidswetten van Mendel (1822 1884) in de 20 e eeuw bleek er een verband te zijn tussen de chromosomen en de erfelijke eigenschappen. Pas in 1952 werd bewezen dat de erfelijkheid in het nucleïnezuur zit en niet in de eiwitten. In 1953 werd de structuur van het DNA opgehelderd door Jim Watson en Francis Crick, waarbij ze in belangrijke mate steunden op het onderzoek van Rosalind Franklin en Maurice Wilkins. Desoxyribonucleïnezuur (DNA, deoxyribo nucleic acid) is het erfelijkheidsmateriaal en bevat alle informatie om een organisme te laten ontwikkelen, groeien en functioneren. De erfelijke eigenschappen van een organisme zijn vastgelegd in het DNA van iedere cel. Het DNA geeft aan hoe een cel zich moet gedragen. Het is een soort centraal archief. DNA is voor te stellen als een lange ketting met vier soorten kralen. De ketting bestaat uit draden van suikers (desoxyribose) en fosfaten en de kralen zijn moleculen van stikstofbasen, weergegeven met de letters A (adenine), C (cytosine), G (guanine) en T (thymine). Zij vormen de letters van het genetisch alfabet. Drie opeenvolgende letters vormen steeds een woord. Eén bepaald kenmerk van een organisme wordt op het DNA gecodeerd weergegeven door middel van een zin van een paar duizend woorden. De totale code voor één bepaald kenmerk noemt men een gen. Op het DNA liggen genen en één gen representeert één kenmerk, in feite een eiwit. Elk levend wezen op aarde heeft in elke cel DNA waarop dezelfde genen liggen. Klassieke biotechnologie Biotechnologie bestaat eigenlijk al heel lang. Het door de mens doelgericht selecteren van gunstige kenmerken bij planten (veredeling) en dieren (domesticatie; fokken) is hiervan een voorbeeld. Woordenboeken omschrijven biotechnologie als een wetenschappelijke techniek die gebruik maakt van micro organismen om een grote variatie van producten te maken. Micro organismen zijn organismen die slechts bestaan uit één of enkele cellen zoals bacteriën, schimmels en gisten (eencellige schimmels). Gist is door de eeuwen heen gebruikt bij het maken van brood, bier en wijn. Voor de productie van antibiotica zoals penicilline worden schimmels gebruikt. Waterzuivering en compostering zijn mogelijk door het werk van bacteriën. Dit zijn allemaal voorbeelden van klassieke biotechnologie. Moderne biotechnologie Tegenwoordig brengt men biotechnologie vaak in verband met genetische manipulatie, het gericht en direct aanbrengen van veranderingen in het erfelijk materiaal (DNA) van een 1
levend wezen. Het doel is dan de gevolgen van deze verandering te onderzoeken en/of te gebruiken. Moderne biotechnologie of genetische manipulatie voorstanders noemen het liever genetische modificatie of gentechnologie is een belangrijke techniek in de biotechnologie. In het Engels heet het genetic engeneering. De bouw van DNA en de manier waarop erfelijke eigenschappen zijn vastgelegd op het DNA is voor alle organismen hetzelfde. Dit biedt in principe de mogelijkheid een stukje DNA met de daarop vastgelegde eigenschap over te brengen van één organisme naar een ander soort organisme. Men knipt bijvoorbeeld uit een mensencel (met behulp van bepaalde enzymen) een stukje DNA dat de boodschap voor het maken van insuline bevat, en brengt dat over op het DNA van een bepaalde bacterie. Die gaat vervolgens menselijk insuline maken. Bovendien geeft de bacterie deze nieuwe eigenschap door aan het nageslacht zodat binnen afzienbare tijd een zeer groot aantal bacteriën over de eigenschap beschikken en de insulineproductie kan voldoen aan de behoefte onder diabetici. De techniek van het overbrengen van een erfelijke eigenschap van het ene organisme naar een ander organisme noemt men recombinant DNA technologie. Een organisme waarin een erfelijke eigenschap van een andere soort is ingebracht noemt men een transgeen organisme. De recombinant DNA techniek kan risico s met zich meebrengen voor mens en milieu. Door veranderingen in het DNA van bacteriën kunnen die misschien nieuwe ziekteverwekkende eigenschappen krijgen. Wanneer transgene planten in de vrije natuur terecht komen, kunnen zij misschien het natuurlijk evenwicht verstoren. Op initiatief van Paul Berg die in 1971 als eerste de recombinant DNA techniek met succes uitvoerde besloten onderzoekers voorlopig af te zien van experimenten met recombinant DNA (moratorium). In de wetenschap was een dergelijke beslissing nooit eerder genomen en het illustreerde het verantwoordelijkheidsbesef van de betrokken onderzoekers. Nadat er afspraken gemaakt waren over de voorwaarden waaronder DNA onderzoek verricht mocht worden (controlecommissies; vergunningenstelsel) werd in 1975 het moratorium opgeheven. In veel landen zijn adviescommissies aangesteld die de ethische en maatschappelijke gevolgen van de recombinant DNA techniek en andere biotechnologische ontwikkelingen op de voet volgen. Grootschalige enzymproductie Genetische gemodificeerde micro organismen worden vooral gebruikt voor grootschalige productie van enzymen. Enzymen zijn eiwitmoleculen die onder invloed van DNA in cellen worden gemaakt en tot doel hebben om chemische reacties sneller te laten verlopen. Bij hoge temperatuur gaan ze kapot en werken ze niet meer (denaturatie). Er zijn allerlei toepassingen voor enzymen. In wasmiddelen zitten tegenwoordig enzymen die zorgen voor het verwijderen van eiwit en vetvlekken bij een temperatuur lager dan 60 o C. Ook bij kaasbereiding worden enzymen gebruikt. Om kaas te maken moet de melk eerst ingedikt worden (stremmen). De hiervoor gebruikte enzymen (chimosinen) zijn afkomstig uit lebmagen van geslachte kalveren. Dat is voor sommige mensen (hindoes; veganisten) een reden om geen kaas te eten. Door in een bepaalde gistsoort runder DNA in te bouwen dat codeert voor het juiste enzym kunnen de gistcellen nu ook chimosinen produceren. Of deze vegetarische kaas succes zal hebben, staat nog te bezien want de Nederlandse consument staat zeer kritisch tegenover voedingsmiddelen die met genetisch gemodificeerde organismen gemaakt zijn. 2
Enzymen kunnen worden ingezet bij het terugdringen van het mestprobleem. Varkens en kippenvoer bevat fosforverbindingen. De dieren hebben wel fosfor nodig maar een groot deel van de fosforverbindingen bestaat uit fytaat dat ze bij hun spijsvertering niet kunnen afbreken. Het gevolg is dat er alleen al in Nederland per jaar honderd miljoen kilo fytaat in de mest terecht komt en dat is slecht voor het milieu. Fytase is een enzym dat fytaat kan afbreken. Door fytase aan het voer toe te voegen wordt fytaat bij de spijsvertering wel afgebroken en kan voor een groot deel door het dier gebruikt worden. Er komt 25% minder fosfaat in de mest terecht. Genetisch gemodificeerde micro organismen kunnen fitase grootschalig produceren, maar er is weinig bekend over de gevolgen als zo n gewijzigd micro organisme in het milieu terecht komt. Biotechnologie in de landbouw Al heel lang probeert men eigenschappen van planten te verbeteren. Door kruising van bijvoorbeeld twee verschillende aardappelrassen kunnen gunstige eigenschappen in het nageslacht worden verenigd. Het is echter een tijdrovende methode. Bovendien is moeilijk in te schatten welke eigenschappen de nieuwe generatie precies zal hebben. Kruising is alleen mogelijk tussen twee organismen van dezelfde soort. De recombinant DNA techniek biedt hele nieuwe mogelijkheden. Eén gunstige eigenschap kan ingebracht worden in het DNA van een plant. Maar belangrijker is dat men goede eigenschappen van verschillende plantensoorten kan combineren. Men is er inmiddels in geslaagd verschillende transgene planten te maken. Er zijn bijvoorbeeld abrikozenbomen die immuun zijn voor een virus dat door bladluizen wordt overgebracht. Er is een nieuw aardappelras dat slechts één soort zetmeel vormt. Deze aardappelen zijn veel makkelijker te verwerken tot allerlei producten. Sinds 1996 worden gemodificeerde sojaplanten verbouwd die bestand zijn tegen een herbicide. Het verbouwen van genetisch gemodificeerde planten die immuun zijn voor ziekten en plagen kan leiden tot een grotere oogst en minder gebruik van bestrijdingsmiddelen. Biotechnologie in de veeteelt Eind jaren tachtig slaagde men erin eicellen van zoogdieren buiten het moederlichaam te bevruchten (in vitrofertilisatie). Het embryo dat zich in de reageerbuis ontwikkelt, kan gesplitst worden. Er kunnen per embryo vier à vijf erfelijk identieke dieren (klonen) groeien. Op deze manier levert een geschikt fokpaar meer nakomelingen. In diezelfde tijd ontstond het plan om door recombinant DNA techniek het menselijk lactoferrine gen in te brengen in het DNA van runderen. Lactoferrine is een eiwit dat gebruikt kan worden voor de productie van een medicijn tegen ernstige darminfecties. Het komt onder andere voor in moedermelk en werkt als een natuurlijk antibioticum. De stier Herman is het wat schamele eerste resultaat van deze technieken, maar heeft inmiddels nakomelingen verwekt. Vier dochters van Herman hebben in 1996 voor het eerst kalveren gekregen waarna de melkgift op gang kwam. Deze melk bevat menselijk lactoferrine. Er is in Nederland veel te doen geweest over de transgene stier Herman. Dierenbeschermingsorganisaties maken bezwaar tegen ingrepen die de eigenheid van dieren aantasten. Mede onder druk van de publieke opinie heeft het ministerie van Landbouw in 1996 het Leidse biotechnologiebedrijf Pharming bv opgedragen om de productie van lactoferrine volgens deze methode te staken de stier Herman te laten slachten. Gelukkig 3
heeft het natuurhistorisch museum Naturalis zich over Herman ontfermd en maakt hij de rest van zijn bestaan deel uit van de permanente expositie over biotechnologie. Biotechnologie en de mens Wetenschappers over de hele wereld zijn al sinds 1970 bezig met het bepalen van de genenvolgorde in het menselijk DNA. Doel van het onderzoek is het menselijk genoom in kaart te brengen. Het genoom is de totale volgorde van de genen op de verschillende DNAsnoeren. In 1988 is daartoe de Humane Genome Organisation (HUGO) opgericht. Onderzoekers besloten samen te werken. Afgesproken is dat de resultaten vrij toegankelijk zijn voor de gehele mensheid. Het is een bijzonder tijdrovend en duur project. Men verwacht hiermee klaar te zijn in 2005. Niet iedereen is enthousiast over HUGO. Critici vinden dat het teveel geld en tijd kost en te weinig direct bruikbare informatie oplevert. Zij vinden het belangrijker om in het menselijk DNA gericht op zoek te gaan naar genen die bij bepaalde ziektes horen. Mensen met een erfelijke ziekte hebben ergens in hun DNA één of meerdere verkeerd werkende genen. Als het om een ernstige aandoening gaat, zal de keus moeilijk zijn om wel of geen kinderen te krijgen. Gelukkig is tegenwoordig van een aantal afwijkingen bekend door welk gen ze worden veroorzaakt. Aan de hand van een erfelijkheidsonderzoek kan worden bepaald hoe groot de kans is dat een eventueel kind van een ouderpaar de ziekte zal hebben. Een andere mogelijkheid is om vroeg in de zwangerschap het DNA van het ongeboren kind te laten onderzoekendoor middel van een vruchtwater punctie. Men kan dan vaststellen of het ongeboren kind het gen voor de ziekte heeft geërfd. Hoe men bij een positieve uitslag dient te handelen wordt er niet bij verteld. De kennis over het menselijk genoom neemt in snel tempo toe. En daarmee ook het aantal erfelijke aandoeningen dat bij een ongeboren kind kan worden vastgesteld. Daarnaast onderzoekt men de mogelijkheid een slecht werkend of ontbrekend gen te vervangen door een goed werkend gen, de zogenaamde gentherapie. Ondanks de hooggespannen verwachtingen zijn er nog weinig resultaten bereikt met gentherapie. Er is enig succes geboekt bij experimentele bestrijding van taaislijmziekte, een erfelijke aandoening die de levenskansen van de lijders sterk beperkt. Eén afwijkend gen zorgt ervoor dat de voortdurend delende slijmcellen in de ademhalingswegen onvoldoende vocht produceren waardoor een taaie slijmlaag ontstaat. Er bestaan virussen die zonder schadelijke gevolgen voor de mens de slijmvliescellen binnendringen en hun DNA in de slijmcellen inbouwen. Men heeft nu deze virussen met het goed werkende gen gemodificeerd. Lijders aan taaislijmziekte hoeven slechts regelmatig de transgene virussen te inhaleren om aanmerkelijk minder last te hebben. Maar lang niet alle ziekten worden veroorzaakt door een aangeboren afwijking. Van slechts een gering aantal erfelijke ziekten is bekend door welk defect in het DNA ze veroorzaakt worden. Een aantal erfelijke ziekten wordt veroorzaakt door meer dan één fout in het DNA. Het is moeilijk om een nieuw stukje DNA precies op de goede plaats in te brengen en het is niet eenvoudig om voldoende cellen genetisch te veranderen. Tal van problemen waarmee de gentherapie moet afrekenen. Dilemma s Stel dat bij een ongeboren kind een ernstige ziekte is geconstateerd. De aanstaande ouders moeten dan beslissen: wel of niet laten aborteren. De keuze wordt sterk bepaald door de ideeën in de samenleving over abortus. Het is denkbaar dat de ouders morele druk 4
ondervinden. Uiteindelijk is abortus voor de samenleving een goedkope oplossing. Er hoeft dan geen gehandicapt kind verzorgd te worden. De prenatale vaststelling van een handicap zal ook in de toekomst zelden met 100% zekerheid gegeven kunnen worden. De aanstaande ouders moeten bij hun overweging betrekken dat de handicap misschien helemaal niet zo ernstig zal zijn. Ook over het soort handicap wordt zeer verschillend gedacht. Is een geestelijke handicap ernstiger dan een lichamelijke? Is doofheid wel aanvaardbaar maar hemofilie niet? Wat gebeurt er als ouders geen onderzoek laten doen en een gehandicapt kind krijgen? Is er Dan nog geld voor voorzieningen? Worden mensen met een handicap nog wel geaccepteerd? Een andere vraag is of iedereen in aanmerking moet komen voor prenataal DNA onderzoek. Als het gaat om een fatale afwijking zal niemand twijfelen maar via DNAonderzoek kan men ook vaststellen of het ongeboren kind kleurenblind zal zijn. Wil de samenleving ook voor zulk onderzoek geld uitgeven? Er bestaat bij sommigen zelfs de angst dat meer kennis van de genetica leidt tot eugenetica. Hiermee bedoelt men het selecteren van nakomelingen op gewenste erfelijke eigenschappen. Alleen gezonde en begaafde kinderen zijn dan nog gewenst. Met de huidige techniek kan men vaststellen of iemand genen bezit die in een later stadium tot een ziekte kunnen leiden. Als een vrouw een borstkankergen draagt, heeft zij 80% kans om borstkanker te krijgen. Een ander verkeerd gen veroorzaakt een hoog cholesterolgehalte en dus meer kans op hart en vaatziekten. Wat gebeurt er als bekend is dat iemand zo n verkeerd gen heeft? Sluit een verzekeringsmaatschappij nog wel een levensverzekering af en neemt een werkgever zo iemand aan? En wil ieder mens ook echt weten of hij of zij zo n verkeerd gen heeft? We noemen dit soort vragen ethische vragen. Ethiek gaat over wat goed en kwaad is, over wat men in het algemeen geoorloofd vindt, over wat in het algemeen geaccepteerd wordt. Persoonlijke opvattingen kunnen afwijken van de algemene norm. Ook dan zal er een keus gemaakt moeten worden. Wanneer de afweging bij het maken van een keuze erg moeilijk is, spreken we van een dilemma. 5