Er is dringend behoefte aan nieuwe pesticiden die wel effectief plagen en ziektes bestrijden, maar die verder geen schade berokkenen aan andere organismen. ‘Daarvoor biedt RNAi een geweldige toepassing’ zegt Kristof De Schutter, onderzoeker gewasbescherming bij de faculteit Bioingenieurswetenschappen van de Universiteit Gent. Planten, insecten, maar ook dieren en mensen, gebruiken RNA interference (RNAi) om genen mee te reguleren. In een organisme werkt dit als volgt: De RNAi-machine van de cel knipt dubbelstrengs RNA (dsRNA) in kleine stukjes van 19-21 nucleotiden, haalt de twee strengen RNA van elkaar en gebruikt een van de twee strengen als gids. Is de gids complementair aan messenger RNA dan knipt het de RNAi machine dit messenger RNA in stukjes, en schakelt zo een gen tijdelijk uit. Doordat RNAi op basis van homologie werkt, is het heel specifiek. Voor de RNAi-machine maakt het niet uit wat de oorsprong van het dsRNA is, het mag ook van buiten het organisme komen. Dit is waar RNAi-pesticiden, met dsRNA als het actieve molecuul, op inspringen. Een nadeel, buiten de cel wordt dsRNA snel afgebroken, daardoor is de efficiëntie van RNAi-pesticiden erg laag. Om daar iets aan te doen ontwerpen ze in Gent nanocarriers om het dsRNA intact de cel in te krijgen.

‘We gebruiken eiwitten en peptiden die gemakkelijk door de cel worden opgenomen’

Kristof De Schutter

Paringsgedrag

Met RNAi-pesticiden kun je specifieke genen in een insect uitschakelen. Is dit een essentieel gen dan gaat het insect dood. ‘Het voordeel van RNAi is dat je niet noodzakelijk met letaliteit moet bekomen’, zegt De Schutter. Gedragsverandering is volgens hem ook een optie. Bijvoorbeeld een verandering in het paringsgedrag, zodat er minder nakomelingen komen. De mogelijke toepassingen van RNAi beperken zich bovendien niet tot het bestrijden van insecten. Je kunt bijvoorbeeld ook genexpressie in planten beïnvloeden om zo de plant tijdelijk stressbestendiger te maken. Het ‘voeren’ van dsRNA aan insecten gebeurt door het besproeien van planten met dsRNA. Dat komt op de plant te liggen. Eet een insect van die plant dan krijgt die dsRNA binnen en kan het RNAi proces starten. Dit werkt al goed voor bijvoorbeeld de gevreesde Coloradokever die aardappelen bedreigt. ‘Maar die kevers zijn wel heel gevoelig voor RNAi’, zegt De Schutter. Lang niet alle insecten nemen dsRNA even gemakkelijk op. En zuigt het insect sap uit het blad, dan krijgt die het dsRNA niet eens binnen. Een ander nadeel van dsRNA is dat het heel instabiel is. Niet alleen nucleasen breken het eenvoudig af, maar ook uv-straling en schommelingen in temperatuur en pH zorgen voor snelle degradatie. Er zijn dus nog heel wat hindernissen om RNAi efficiënt te laten verlopen. De Schutter en collega’s hopen met nanocarriers die het dsRNA binden en beschermen deze barrières te overwinnen.

Pakketjes

Deze carriers kunnen synthetische polymeren zijn. ‘Iedereen kent polymeren van een plastic waterfles, of van verpakkingsmateriaal’, zegt Peter Dubruel, hoofd van de onderzoeksgroep Polymeerchemie en Biomaterialen (PBM) aan de Universiteit Gent. Maar voor de carriers is hij op zoek naar geavanceerde polymeren die interacties kunnen aangaan met dsRNA en vervolgens een polyplex, een samengesteld molecuul van het polymeer en het dsRNA, vormen. Van nature is dsRNA een lang, dun molecuul met veel negatieve ladingen. Daardoor komt het moeilijk de cel in. Het doel is daarom zowel de negatieve ladingen als de afmetingen van het dsRNA te reduceren door het dsRNA en het polymeer samen een compact pakketje, het polyplex, te laten vormen. Zo’n pakketje kan veel makkelijker door de cel worden opgenomen. Er verschillende manieren om dit voor elkaar te krijgen. Maar de meest voor de hand liggende is toch wel om tegengestelde ladingen te gebruiken. Dubruel en z’n team zoeken dan ook in de toolbox van monomeren naar moleculen die ook onder de fysiologische omstandigheden in een organisme een positieve lading hebben. Voor de carriers schakelt hij deze monomeren aan elkaar zodat de positieve lading aanwezig is in een lange keten. Naast synthetische polymeren, onderzoeken ze in Gent ook of bepaalde biologische polymeren, denk aan peptiden en eiwitten, dsRNA de cel in kunnen smokkelen. ‘Hierbij gebruiken we eiwitten en peptiden die heel gemakkelijk door de cel worden opgenomen’, legt De Schutter uit. Zoals cel-penetrerende peptiden, die makkelijk de cel binnen raken, en lectines, eiwitten die van nature vrij resistent zijn tegen afbraak door proteasen. ‘Voor de biologische polymeren weten we dat een domein niet voor alles gaat werken’, zegt De Schutter. Dus zoekt hij naar de optimale combinatie: Een dsRNA-bindingsdomein om het dsRNA mee te binden plus een cel-penetrerend peptide om de cel binnen te komen. En/of een lectine domein voor de stabiliteit. Al met al een heel gepuzzel.

‘Als de biologen niet aangegeven welke richting we op moeten, dan zit je als chemicus vast en omgekeerd ook’

Peter Dubruel

Veldtesten

De eerste stap op weg naar een toepassing is testen of carrier en dsRNA een polyplex vormen. Een tweede cruciale test is of de carrier zelf niet toxisch is voor insecten- en plantencellen. De Schutter: ‘We willen dat het insect doodgaat door het RNAi effect. Als het doodgaat door opname van de carrier dan willen we de carriers niet in de omgeving vrijstellen.’ Zijn deze hordes gepasseerd, dan testen de onderzoekers de opname van het dsRNA in cellijnen van zowel planten als insecten. Nemen deze het polyplex beter op dan dsRNA, dan is het tijd om te testen op hele organismen. Daarbij kijken ze naar opname van dsRNA, of er een RNAi effect is, en of dat effect lokaal blijft of door het hele organisme optreedt. De eerste carriers testen ze nu op organisme niveau. Maar de groep bestudeert ze ook nog in cellijnen om sommige aspecten verder uit te diepen. ‘Met die kennis kunnen we feedback geven aan Peter’, zegt De Schutter. Die feedback is essentieel, aldus Dubruel. ‘We kunnen wel nieuwe materialen maken, maar als de biologen niet aangegeven welke richting we op moeten, dan zit je als chemicus vast, en omgekeerd ook.’

Komen de carriers ook zonder kleerscheuren uit deze ronde, dan is het tijd voor veldtesten. ‘Dan kijken we of het lukt met onze technologie bepaalde pest insecten kunnen gaan treffen’, zegt De Schutter. Dat moet uitwijzen of de nanocarriers de efficiënte RNAi-pesticiden daadwerkelijk dichterbij brengen.