Ja, we kunnen een mens bouwen

601
Biologie binnen het bereik van ingenieurs brengen, dat is de zelfverklaarde missie van dr. Drew Endy, een van de grondleggers van de synthetische biologie. Hij voorziet een moment waarop complexe biologische systemen gebouwd kunnen worden uit standaard componenten, zoals je een computer kunt programmeren met een beperkte set instructies, als je die op de goede manier achter elkaar zet. ‘Op een gegeven ogenblik kunnen we een mens in elkaar zetten, ja. Maar waarom zouden we dat willen?’

Zouden er dan geen ingenieurs zijn in Nederland? had Drew Endy even gedacht, toen het Rathenau Instituut hem vertelde dat zijn gehoor in het Haagse Diligentia theater vooral uit wetenschappers zou bestaan. Hij was eind september uitgenodigd om een lezing te geven over synthetische biologie en de ethische dilemma’s die deze nieuwe tak van technologie met zich meebrengt, en hij had graag ook ingenieurs toegesproken, want hij heeft ook voor hen een boodschap. Dus hij is blij als hij na afloop kan constateteren dat er tenminste eentje in de zaal zat.

‘Dit hele theater is kunstmatig’, begint Endy, om zich heen wijzend naar de betonnenkolommen, de metalen bekledingsplaten en het glas in de foyer van Diligentia. ‘Vroeger bouwden we met steen, maar op een gegeven moment vonden we dat niet goed genoeg meer. Toen zijn we stenen gaan vermalen tot synthetische steen, beton. Op die drempel staat de biologie ook.’

Drew Endy

Daar springt de populaire pers uiteraard op: zullen we binnen afzienbare tijd zelf een mens in elkaar kunnen knutselen? Het kost enig aandringen voordat Endy toegeeft: ‘De technologie hebben we in principe. Een Japanse onderzoeksgroep heeft al eens twee genomen van een gist helemaal uit elkaar gehaald en tot één genoom gecombineerd. Daar zijn ze zeven jaar mee bezig geweest. Een gist heeft twaalf miljoen baseparen. Bij mensen zijn het er enkele miljarden.’

Het zal een jaar of vijftig duren voordat een menselijk genoom in redelijke tijd in elkaar te zetten valt, schat Endy. ‘Maar als we een energieke Amerikaanse president krijgen, die zoals Kennedy met de race naar de maan besluit dat het binnen tien jaar moet gebeuren, dan kan dat waarschijnlijk ook. Maar de vraag is waarom we dat zouden willen. Overigens heb ik het hier uitsluitend over het dna, niet over de ontvangende cel die nodig is voor vermenigvuldiging. Die is momenteel nog veel te complex om te synthetiseren, al wordt ook daar onderzoek naar gedaan.’

Mislukt

Endy is een bouwer. Hij begon zijn carrière als civiel ingenieur, maar toen ergens aan het eind van zijn studie een college structurele dynamica afgelast werd, belandde hij bij toeval in een cursus genetica. Daar maakte hij kennis met bouwstenen van een heel andere orde, die hem zouden gaan fascineren.

‘Ik ging modellen bouwen voor biologen’, vertelt hij. ‘Daarbij ging ik me afvragen: als ik het model nou zus en zo aanpas, wat zijn dan de consequenties daarvan? Ik heb de biologen voor wie ik werkte gevraagd experimenten voor me te doen, maar dat wilden ze niet. Biologische experimenten kosten veel tijd en ze hadden hun handen al vol aan hun eigen onderzoek. Dus ben ik het zelf gaan doen en dat werd helemaal niks – het ging allemaal te langzaam. Wat overigens niet erg is, want ook mislukt onderzoek levert kennis op. Het is alleen niet publicabel.’

Om zijn modellen te toetsen, kon hij niet met bestaand biologisch materiaal aan de slag, maar was het eigenlijk nodig dat helemaal van de grond op te bouwen. En zo ontstonden biobricks, stukjes (bacterieel) genoom waarmee biologen naar believen kunnen knutselen. Een complete bibliotheek van biobricks zou open source moeten zijn, dat wil zeggen voor iedereen toegankelijk. Hij is alvast begonnen, met hulp van zijn studenten, maar de 1500 nu beschikbare blokken zijn van slechte kwaliteit. Je kunt er niet honderd procent op vertrouwen dat ze doen wat ze horen te doen.

De biobricks van Endy doen erg denken aan de automata van John von Neumann, de godfather van de computer. Hij bedacht vijftig jaar geleden al een theoretisch systeem van zelf reproducerende machines, te bouwen uit een beperkt aantal blokken. Endy: ‘Dat was het laatst project waar Von Neumann voor zijn dood aan werkte. Hij heeft het niet af kunnen maken. Het is een prachtig idee, maar niet erg praktisch. Von Neumann ging uit van enkele tientallen componenten. In de biologie heb je er duizenden.’

Viruschip

‘Mijn doel is biologie eenvoudiger te engineeren te maken’, gaat Endy verder. ‘De biotechnologie is altijd heel erg gedreven door toepassingen. We willen een medicijn voor malaria, we willen een bacterie die water zuivert. Voor ingenieurs is het moeilijk om een stap terug te doen, zich af te vragen: hoe maak ik instrumenten om dat medicijn, die bacterie snel te vinden? En dat is precies wat ik op het oog heb.’

Wat hem betreft is de weg daarheen een vijftrapsraket. De eerste drie daarvan zijn inmiddels bekende technologieën: recombinant dna (overplanten van stukjes dna tussen twee organismen), polymerase ketenreactie (vermenigvuldigen van dna) en het ‘sequencen’ ofwel in kaart brengen van het genoom. De vierde is synthese, dat wil zeggen het zelf bouwen van dna. De snelheid waarmee dat mogelijk is, neemt met de dag toe. De vijfde stap is komen tot een goede abstractie, een ‘taal’ om de bouwstenen mee te beschrijven.

‘Momenteel beschrijven we genomen in termen van baseparen’, zegt Endy. ‘Het is alsof we een computer programmeren in nullen en enen. We moeten zoeken naar een programmeertaal, een hogere manier van beschrijven. Hopelijk lukt dat met biobricks. Daarna volgt ongetwijfeld een volgende fase: hoe programmeer je evolutie, hoe manage je reproductie, hoe voorkom je programmeerfouten?’

Een van de meest concrete projecten die Endy momenteel onder handen heeft, is het modificeren van een virus voor de fabricage van elektronica. ‘Chipsmaterialen bestaan niet uit puur silicium’, legt hij uit. ‘Om de eigenschapen ervan te veranderen worden er kleine hoeveelheden van andere elementen aan toegevoegd, bijvoorbeeld boor of fosfor. Die atomen zitten willekeurig verspreid in het rooster. Naar mate chips kleiner worden, neemt de variantie per werkzame transistor toe.’

‘Het maakt niet zoveel uit of een grote transistor 97 of 103 booratomen bevat, maar in een kleine transistor is 7 of 13 een enorm verschil, dat kan bepalen of de chip betrouwbaar werkt of niet. Daarom zoeken elektrotechnici naar manieren om atomen precies op de juiste plek te positioneren. Atomen exact naar de juiste plek brengen is nou net wat de biologie doet. Daarom proberen we nu een virus zover te krijgen dat het nanomaterialen op de gewenste plek neerlegt.’

Garage

Wie zo aan het leven knutselt, wordt onvermijdelijk met ethische vraagstukken geconfronteerd. Endy gaat ze niet uit de weg, maar benadrukt wel: ‘Ik maak geen leven, ik construeer het uit bestaande elementen. Dat gezegd hebbend, zijn er uiteraard belangrijke praktische vragen: moet synthetische biologie in top secret laboratoria plaatsvinden of juist in alle openheid? Wat als hackers ermee aan de slag gaan, of terroristen?’

Endy is een pleitbezorger van openheid, al was het maar omdat hij zijn eigen regering niet volledig vertrouwd. Biologische oorlogsvoering werd in de Verenigde Staten in de jaren zeventig in de ijskast gezet, maar na de miltvuuraanslagen in 2001 is het weer opgestart. En als je een medicijn voor malaria kunt ontwerpen, kun je waarschijnlijk ook een nog dodelijker virus in elkaar zetten. ‘Discussie is er niet, net zoals er geen discussie is over de vraag waarom je je tube tandpasta moet laten zien als je in het vliegtuig stapt. Nationale veiligheid heet dat.’

Zo’n aanpak zou kunnen leiden tot een situatie waarin een beperkt aantal monopolisten met gepatenteerde producten domineert. Dat ziet Endy niet zitten, hij pleit voor zo groot mogelijke openheid. Het risico dat tieners zelf gaan rommelen in de garage, neemt hij voor lief. ‘Ik denk dat het zo’n vaart niet zal lopen. Bij nanotechnologie had men visioenen van allerlei kleine machientjes die er niet gekomen zijn. Bij synthetische biologie hebben we het voorlopig over kleine organismen en er bestaat nog niet zoiets als People for the Ethical Treatment of Bacteria.’


Synthetische biologie

‘Hello World’, zei de biofilm die studenten van de University of Texas drie jaar geleden maakten. Een erg scherp beeld was het niet, maar het was wel de eerste foto die gemaakt werd door bacteriën. De studenten gebruikten drie biobricks uit het project van Drew Endy om bacteriën zo ver te krijgen dat ze onder invloed van licht een kleurstof afscheidden. Keurig op een rijtje in een laag gel reproduceerden ze het belichtingspatroon waaraan ze werden blootgesteld.

Het is het gebruik van biobricks dat synthetische biologie onderscheidt van traditionele genetische modificatie. Synthetische biologie wil gecontroleerd levende materialen in elkaar zetten door stukjes dna met bekende, controleerbare eigenschappen aan elkaar te koppelen, waar genetische modificatie vooral sleutelt aan bekende materialen. Vergelijk het met een auto: genetische modificatie stelt je in staat er een nieuw stuur in te zetten of de kleur van de lak te veranderen, maar synthetische biologie geeft je de bouwstenen om zelf een helemaal nieuwe auto te ontwerpen.

De eerste voorzichtige stappen op het nieuwe terrein zijn inmiddels gezet. Zo bestaan er inmiddels bacteri die zich gedragen als een digitaal geheugen en als een logische and-schakelaar, die twee inputs combineert tot een enkele output (‘ja’, als beide inputs ‘ja’ zijn, anders nee). Ook is er een bacterie met een klok geïmplementeerd.

Van een geheel andere orde is de reconstructie van een vijf miljoen jaar oud virus uit menselijk dna, vorig jaar gepubliceerd door een Franse onderzoeksgroep. Dit zogeheten junk dna, in totaal acht procent van het menselijk genoom, is ooit door een zogeheten retrovirus achtergelaten. Het heeft geen betekenis meer, maar zou het mogelijk zijn hieruit het oorspronkelijke virus te recreëren, vroeg onderzoeker Thierry Heidmann zich af.

Het antwoord blijkt ‘ja’ te zijn. Natuurlijk valt niet met zekerheid te zeggen dat het oorspronkelijke virus terug is, maar Heidmann en zijn collega’s maakten wel degelijk een werkend virus door te knippen en plakken uit het menselijk genoom. Ze manipuleerden het virus wel zodanig dat het zich slechts één keer kon voortplanten, want niemand zit te wachten op een nieuw, uit een laboratorium ontsnapt virus. De dromers sloegen onmiddellijk toe: als je een virus bij elkaar kunt knutselen, dan wordt het allicht ooit mogelijk om de dinosaurussen terug te halen uit stukjes dna van hun afstammelingen.

Eerder verschenen in De Ingenieur nr 16, 2007. Beeld: MIT, UofT. Ook bij Sync