‘Denk aan elk product waarvoor gistcellen grote aantallen extra of aangepaste genen nodig hebben, die optimaal moeten samenwerken’, antwoordt de Delftse hoogleraar Pascale Daran-Lapujade op de vraag waarom je die cellen aan een zeventiende chromosoom zou moeten helpen. In Nucleic Acids Research presenteerden zij en promovendus Eline Postma onlangs de eerste Saccharomyces cerevisiae-stammen waarin zo’n synthetisch chromosoom stabiel is en meedoet met de celdeling. De inhoud laat zich simpel uitbreiden met genetische modules die je ontwerpt op de computer, waarbij de gistcel het assemblagewerk grotendeels zelf voor zijn rekening neemt.

Kunstmatige DNA-fragmenten

‘Zo’n gistcel kan van nature dubbele breuken in DNA repareren’, legt Postma uit. Normaal gesproken komt die ‛homologe recombinatie’ vlak voor een celdeling in actie, als het DNA al is gekopieerd. De intacte kopie dient dan als sjabloon. Maar introduceer je twee kunstmatige DNA-fragmenten, waarvan er een begint met exact dezelfde sequentie van enkele tientallen basenparen waarmee de andere eindigt, dan worden die in de praktijk ook correct aan elkaar gezet. Al in 2013 publiceerde Daran-Lapujade een recept om gistcellen een groter aantal fragmenten te laten assembleren in de juiste volgorde, door ze telkens andere overlappende sequenties mee te geven.

Die truc is nuttig, omdat je in vitro alleen vrij korte stukken DNA kunt opbouwen. De Amerikaanse Nederlander Jef Boeke verving hiermee fragmenten van bestaande gistchromosomen, totdat die uiteindelijk geheel bestonden uit synthetisch DNA-materiaal. Dat is knap maar zeer bewerkelijk, en Postma benadrukt dat het bleef bij kopieën zonder grote wijzigingen.

Sinds kort kun je bestaande genen relatief eenvoudig modificeren met CRISPR-Cas. Maar ook dat kan tijdrovend zijn, zeker als je een metabole route wilt aanpassen die verspreid zit over een aantal chromosomen. ‘Per ronde kun je maar een paar dingen veranderen’, zegt Daran-Lapujade. Het is dus veel praktischer om het hele setje te parkeren op één chromosoom.

Landingsplek

Met een combinatie van chemicaliën en warmte kun je ervoor zorgen dat de gesynthetiseerde fragmenten in de celkern belanden. Hoeveel het reparatiemechanisme er kan verwerken is onduidelijk, maar met de huidige 44 fragmenten lijkt de grens nog niet bereikt. Samen leveren die een chromosoom op van 100.000 basenparen waarin naast junk-DNA alle componenten zitten die essentieel zijn voor replicatie en celdeling, zoals een centromeer. Ook bevat het genen die door fluorescentie aantonen dat het extra chromosoom aanwezig is.

Om aan te tonen dat zoiets kan dienen als ‛landingsplek’ voor genetische toevoegingen, ontwierp Postma een sequentie van dertien genen die minimaal nodig zijn om suikers in alcohol om te zetten. Die ‘glycolysemodule’ deelde ze ook weer op in fragmenten die de gistcel zelf, met hulp van CRISPR-Cas, aan elkaar breide en in het synthetische chromosoom monteerde. Met diezelfde techniek zette ze tot slot de natuurlijke glycolysegenen uit. De alcohol bleef gewoon stromen, al ging het wel wat langzamer. ‘We weten wel hoe je een stabiel chromosoom maakt, maar nog niet waar je precies op moet letten als je een groot aantal genen toevoegt’, stelt Postma. ‘Dat zijn we nu aan het bestuderen.’

Er komt een vervolgpublicatie aan over de productie van een industrieel relevante stof die gisten van nature niet aanmaken. ‘Als proof of principle om de industrie te overtuigen dat de aanpak het proberen waard is’, besluit Daran-Lapujade.