Craig Venter over DNA en de zee

Tijdens de pauze vroegen enkele mensen naar mijn mening over het verouderingsdebat. Het enige wat ik daarover kan zeggen, is dat ik begrepen heb dat optimisten véél langer leven dan pessimisten. (Gelach)

Wat ik jullie in mijn 18 minuten ga vertellen, gaat over hoe we van het lezen van de genetische code gaan kunnen omschakelen naar onze eerste stappen in het schrijven van de code zelf. Het is deze maand slechts 10 jaar geleden toen we de eerste sequentie publiceerden van een vrij levend organisme, namelijk die van de haemophilus influenzae. Het heeft een genoomproject van 13 jaar teruggebracht tot vier maanden. Vandaag kunnen we datzelfde genoomproject in ongeveer twee tot acht uren verwezenlijken. In de afgelopen tien jaar werd een groot aantal genomen toegevoegd: de meeste menselijke pathogenen, een aantal plantensoorten, verscheidene insecten en zoogdieren, waaronder het menselijk genoom. Met de genomica in dit denkstadium iets meer dan 10 jaar geleden zouden we tegen het eind van dit jaar misschien wel van drie tot vijf genomen de sequentie bepaald hebben; het ligt in de orde van een paar honderden. We hebben net een schenking ontvangen van het Gordon en Betty Moore Fonds om dit jaar van 130 genomen de sequentie te achterhalen, van organismen in hun omgeving als bijkomend project. De snelheid van het lezen van genetische code is dus veranderd.

Als we kijken naar wat er daarbuiten te vinden is, zien we eigenlijk maar de top van de ijsberg van hetgeen er allemaal op deze planeet aanwezig is. De meeste mensen beseffen het niet omdat ze onzichtbaar zijn, maar microben zijn goed voor ongeveer de helft van de biomassa op Aarde, terwijl alle dieren slechts goed zijn voor ongeveer een duizendste van alle biomassa. Misschien is het iets dat mensen in Oxford niet al te vaak doen, maar als je ooit naar de zee gaat en je slikt een mondvol zeewater in, hou dan in gedachte dat elke milliliter ongeveer een miljoen bacteriën bevat en iets van een 10 miljoen virussen.

Minder dan 5000 soorten microben werden sinds twee jaar geleden beschreven, en dus hebben we beslist om er iets aan te doen. We gingen van start met de Sorcerer II-expeditie. We wilden zoals in grote oceanografische expedities elke 300 kilometer een staal nemen van het oceaanwater. We waren begonnen in Bermuda voor ons testproject. Vervolgens gingen we naar Halifax en voeren zo de Amerikaanse oostkust af naar het zuiden richting de Caraïbische Zee, het Panamakanaal, verder naar de Galapagoseilanden, en staken de Grote Oceaan over. Nu zijn we bezig met de Indische Oceaan. Het is een heel lastige opdracht; we doen dit op een zeilschip voor een deel om jonge mensen warm te maken voor een wetenschappelijke loopbaan. De experimenten zijn buitengewoon eenvoudig. We nemen gewoon zeewater en we filteren het en we verzamelen organismen van verschillende groottes op verschillende filters. Daarna nemen we hun DNA terug naar ons lab in Rockville (Maryland), waar we elke 24 uur de sequentie kunnen bepalen van honderd miljoen letters van de genetische code. Door dit te doen, hebben we enkele ongelooflijke ontdekkingen gedaan.

Er werd bijvoorbeeld gedacht dat de visuele pigmenten in onze ogen -- er waren slechts een of twee organismen die dezelfde pigmenten hadden. Nu blijkt dat bijna elke soort in de bovenste gedeelten van de oceaan in warme gebieden dezelfde fotoreceptoren bezitten, en zonlicht gebruiken als hun energiebron en communicatiemiddel. Op één locatie ontdekten we in één vat zeewater 1,3 miljoen nieuwe genen en 50.000 nieuwe soorten.

We hebben dit uitgebreid naar de lucht, met een schenking van het Sloan Fonds. We meten hoeveel virussen en bacteriën wij allen dagelijks in- en uitademen, vooral in vliegtuigen of gesloten auditoria. (Gelach) We filteren met enkele eenvoudige toestellen; we verzamelen ongeveer een miljard microben door een enkele dag te filteren bovenop een gebouw in New York City. We zijn op dit moment bezig met de sequentie van al die dingen te bepalen.

Gewoon op basis van de dataverzameling, net waar we zijn ter hoogte van de Galapagos-eilanden, vinden we bijna om de 300 kilometer een ongelooflijke diversiteit in de oceaanstalen. Voor sommige bestaat er een logische verklaring in termen van verschillende temperatuurgradiënten. Dit is een satellietfoto op basis van temperatuursverschillen -- rood is warm, blauw is koud -- en we stelden vast dat er een ongelooflijk verschil is tussen stalen met warm water en stalen met koud water, in termen van veel voorkomende soorten. Iets anders dat ons nogal verraste, is dat deze fotoreceptoren verschillende golflengten van licht kunnen opsporen. We kunnen dat voorspellen op basis van hun aminozuursequentie. Deze kunnen sterk van regio tot regio variëren. Misschien wel niet zo verrassend is dat in de diepe oceanen, waar de kleur blauw veel voorkomt, fotoreceptoren blauw licht lijken te zien. Wanneer er veel chlorofyl aanwezig is, zien ze veel groen licht. Maar er is nog meer variatie, mogelijk in de richting van infrarood en ultraviolet aan de uiteinden van het spectrum.

We hebben geprobeerd een schatting te doen van ons genenrepertoire. we brachten alle data samen -- inbegrepen deze van onze expeditie verzameld tot nu toe, wat goed is voor meer dan de helft van al de data van genen op de planeet -- Het ging in totaal om zo'n 29 miljoen genen. We hebben geprobeerd om ze in genfamilies onder te brengen om de betekenis van de ontdekkingen te begrijpen: Hebben we gewoonweg nieuwe leden van gekende families ontdekt, of hebben we nieuwe families ontdekt? Het blijkt nu dat we ongeveer 50.000 grote genfamilies hebben. Elk nieuw staal dat we uit de natuur halen doet het aantal nieuwe families lineair toenemen. We bevinden ons dus in de prille ontdekkingsfase met betrekking tot gewone genen, componenten en het leven op deze planeet.

Als we naar de zogenaamde evolutionaire stamboom kijken, bevinden we ons in de rechterbovenhoek bij de dieren. Van die ruwweg 29 miljoen genen, hebben we er slechts ongeveer 24.000 in ons genoom. Als je alle dieren samenneemt, delen we er waarschijnlijk minder dan 30.000 en mogelijk zelfs 12.000 of meer verschillende genfamilies. Ik besef nu dat deze genen niet enkel ontwerpstukken van de evolutie zijn. We denken eerder op een gen-centrische manier -- misschien gebaseerd op de ideeën van Richard Dawkins -- dan op een genoom-centrische manier, wat verschillende constructies zijn van deze gencomponenten.

Synthetisch DNA, het vermogen om kunstmatig DNA te maken, heeft zowat dezelfde snelle verandering ondergaan zoals dat bij DNA-sequenties het geval was in de laatste tien of twintig jaar. Het gaat heel snel en het wordt heel goedkoop. Ons eerste idee over synthetische genomica kwam tot stand toen we de sequentie bepaalden van het tweede genoom toen in 1995 van de mycoplasma genitalium. We hebben heel leuke T-shirts met het opschrift: "Ik hartje mijn genitalium." Het is eigenlijk gewoon een micro-organisme, maar het telt grofweg 500 genen. Haemophilus telde 1800 genen. We stelden eenvoudigweg de vraag als de ene soort er 800 nodig heeft, en een andere 500, is er dan een kleinere groep genen die over een minimaal besturingssysteem zou beschikken?

We gingen dus van start met transposonmutagenese. Transposons zijn kleine stukjes DNA die willekeurig in de genetische code worden ingevoegd. Als ze in het midden van een gen worden gestoken, gaan ze de functie ervan verstoren. Zo hebben we dus een kaart gemaakt van al de genen die transposoninserties konden opnemen. We hebben ze "niet-essentiële genen" genoemd. Maar nu blijkt dat de omgeving er heel kritisch mee omgaat, en je kan slechts een essentieel of niet-essentieel gen definiëren op basis van wat er zich exact in de omgeving bevindt. We hebben ook getracht om een meer rechtstreekse intellectuele benadering te nemen met de genomen van 13 verwante organismen. We probeerden ze allemaal te vergelijken om te zien wat ze gemeenschappelijk hadden. We kregen van die overlappende cirkels en we vonden slechts 173 genen die alle 13 organismen gemeen hadden met elkaar. De genpool werd een beetje groter toen we één intracellulaire parasiet negeerden; hij werd nog groter toen we de meest essentiële sets genen bekeken met 310 genen of zo. We denken dus dat we genomen kunnen uitbreiden of inkrimpen, afhankelijk van hoe je het bekijkt, naar misschien 300 tot 400 genen vanaf het minimum van 500.

De enige manier om deze ideeën te bewijzen, was door een kunstmatig chromosoom te bouwen met die genen erin. We moesten dit doen met behulp van een soort cassette. We konden vaststellen dat kunstmatig DNA nauwkeurig samenstellen in grote stukken, heel moeilijk was. Mijn collega's Ham Smith en Clyde Hutchison ontwikkelden een veelbelovende nieuwe methode die het ons mogelijk maakte een virus met 5000 basenparen te maken in twee weken tijd dat 100 procent accuraat was, dit in sequentiële en biologische termen. Het was een heel opwindend experiment -- we namen het kunstmatig stukje DNA, injecteerden het in de bacteriën en plots begon dat DNA de productie van de virusdeeltjes te sturen die dan vervolgens de bacteriën gingen doden. Dit was niet het eerste kunstmatige virus -- een jaar eerder werd er een poliovirus gemaakt -- maar het was tienduizend keer minder actief en het nam drie jaar in beslag om te maken. Dit is een cartoon van de structuur van Phi X-174. Het is een geval waar de software nu zijn eigen hardware bouwt, dat zijn de noties die we in de biologie hebben.

De mensen beginnen zich onmiddellijk zorgen te maken over biologische oorlogsvoering. Recent moest ik nog een getuigenis afleggen voor een senaatscomissie en een bijzondere commissie die de Amerikaanse overheid had opgericht om dit onderwerp te onderzoeken. Ik denk dat het belangrijk is om de werkelijkheid in gedachten te houden ten opzichte van de verbeeldingen van de mensen. In essentie kan van elk virus waarvan vandaag de sequentie wordt bepaald, het genoom gemaakt worden. De mensen beginnen onmiddellijk te panikeren over zaken zoals ebola of pokken, maar het DNA van dit organisme veroorzaakt geen infecties. Zelfs als iemand het pokkengenoom maakt, dan zou dat DNA zelf geen infecties veroorzaken. De echte bezorgdheid van veiligheidsdepartementen zijn ontworpen virussen. Er zijn slechts twee landen, de VS en de voormalige Sovjet-Unie, die grote inspanningen leverden om biologische oorlogswapens te ontwikkelen. Als dat onderzoek werkelijk stopgezet is, dan zou er weinig activiteit mogen bestaan op gebied van de know-how om virussen te ontwerpen in de toekomst.

Ik denk dat eencellige organismen mogelijk moeten zijn in twee jaar. Mogelijk eukaryote cellen, degene die wij hebben zijn mogelijk binnen de tien jaar. We zijn nu allerhande constructies aan het maken, omdat we de cassettes en de genen kunnen laten variëren die in het kunstmatige chromosoom zullen terechtkomen. De vraag is hoe je alle andere er in zet? We beginnen met deze fragmenten, en dan is er een homoloog recombinatiesysteem dat de fragmenten herschikt tot een chromosoom.

Dit werd afgeleid van het organisme deinococcus radiodurans, dat drie miljoen rad aan radioactieve straling kan verdragen en er niet aan dood gaat. Het herschikt zijn genoom na deze straling in ongeveer 12 tot 24 uur, nadat zijn chromosomen letterlijk opgeblazen werden. Dit organisme is alomtegenwoordig op de planeet en het bestaat wellicht ook in de ruimte door al onze reizen daarheen. Dit is een glazen beker na blootstelling aan ongeveer een half miljoen rad radioactieve straling. Het glas begon te branden en te breken terwijl de microben op de bodem blijer en blijer werden. Hier heb je een foto van wat er werkelijk gebeurt: bovenaan zie je het genoom na 1,7 miljoen rad straling. Het chromosoom wordt letterlijk opgeblazen. Hier heb je hetzelfde DNA dat automatisch herschikt werd 24 uur later. Het is werkelijk verbluffend dat deze organismen dat kunnen doen. We hebben waarschijnlijk duizenden, misschien wel tienduizenden verschillende soorten op deze planeet die hiertoe in staat zijn. Nadat deze genomen samengesteld worden, is de eerste stap om hen te transplanteren naar een cel zonder genoom.

We denken dus dat synthetische cellen een ongelooflijk potentieel zullen hebben, niet alleen voor het begrijpen van de basis van de biologie, maar ook voor het begrijpen van milieu- en maatschappijkwesties. Bijvoorbeeld bij het derde organisme waarvan we de sequentie bepaalden, Methanococcus jannaschii: het leeft in kokende watertemperaturen, heeft als energiebron waterstof en haalt al zijn koolstof uit de CO2 die het in de omgeving vindt. We kennen dus veel verschillende reactiewegen van wel duizenden verschillende organismen die van CO2 leven en het opnieuw kunnen oogsten. In plaats van koolstof uit olie te gebruiken voor synthetische processen, hebben we de mogelijkheid om koolstof te gebruiken en het opnieuw uit de atmosfeer te halen. Zo kan het worden omgezet in biopolymeren of andere producten. Er bestaat een organisme dat leeft van koolstofmonoxide. We gebruiken het als een reducerende kracht om water op te delen ter vorming van waterstof en zuurstof. Er zijn ook talloze reactiewegen die omgevormd kunnen worden ter vorming van methaan. DuPont heeft een groots plan met Statoil in Noorwegen om het methaan uit de gasvelden op te vangen en om te vormen in nuttige producten.

Binnenkort denk ik dat er een nieuwe discipline zal ontstaan met de naam combinatorische genomica, omdat met deze nieuwe synthesemogelijkheden deze brede repertoires van genreeksen en de homologe recombinatie, denken we een robot te kunnen ontwerpen om misschien wel een miljoen verschillende chromosomen per dag te maken. Bijgevolg heb je zoals in heel de biologie selectie via het screenen. Of je nu aan het screenen bent voor waterstofproductie of chemische productie, of gewoon levensvatbaarheid. De rol van deze genen te begrijpen, zal zeker binnen handbereik zijn.

We gaan proberen om fotosynthese om te vormen om waterstof rechtstreeks uit zonlicht te produceren. Fotosynthese wordt geregeld door zuurstof; we hebben een zuurstof-ongevoelige hydrogenase waarvan we denken dat het dit proces volledig zal veranderen. We zijn ook cellulasen aan het combineren, de enzymes die complexe suikers afbreken tot eenvoudige suikers en fermentatie in dezelfde cel voor de productie van ethanol. Farmaceutische productie is al gestart in de grote laboratoria met behulp van microben. De chemische reactie van stoffen in het milieu is zoveel keer complexer dan onze beste chemici kunnen bewerkstelligen. Ik geloof dat soorten die in de toekomst ontworpen zullen worden, een voedselbron zouden kunnen worden, hopelijk een energiebron, mileusanering en misschien wel als vervanging van de petrochemische industrie.

Laat me afsluiten met ethische en beleidstudies. We hebben de start van onze experimenten in 1999 uitgesteld tot dat we een bio-ethisch overzicht van anderhalf jaar hadden afgewerkt om te zien of we wel een kunstmatige soort zouden moeten maken. Elke belangrijke godsdienst heeft hier aan meegewerkt. Het was eigenlijk een heel vreemde studie, omdat de verscheidene religieuze leiders hun heilige schriften als wetboeken hanteerden. Ze konden er niets in terugvinden over een verbod op het creëren van leven, dus moet het wel oké zijn. De enige ultieme zorgen betroffen aspecten van biologische oorlogsvoering. Het gaf ons een groen licht om te starten met deze experimenten omwille van de redenen waarvoor we ze doen.

Op dit moment heeft het Sloan-fonds een studie hierover met meerdere instellingen gefinancierd om uit te werken wat de risico's en de voordelen zijn voor de samenleving en te kijken welke regels wetenschappelijke teams zoals de mijne moeten hanteren in dit vak. We trachten ook een goed voorbeeld te zijn . Dit zijn complexe kwesties. Met uitzondering van de dreiging van biologisch terrorisme zijn het heel eenvoudige kwesties: kunnen we dingen ontwerpen om propere energie te produceren en misschien wel revolutioneren wat ontwikkelingslanden kunnen doen en tot stand brengen met behulp van allerlei eenvoudige processen. Heel erg bedankt.