Origineel gepubliceerd op de site van Agentschap NL.
Samenvatting
Synthetische biologie is een nieuwe technologie met als hoofdthema de ontwerpbenadering van biologische systemen. Vanwege het grote aantal mogelijkheden wordt er verwacht dat synthetische biologie veel uiteenlopende toepassingen zal krijgen. Japan profileert zich met R&D op verschillende onderwerpen. Veel aandacht is er voor onderzoek naar het van de grond af opbouwen van celachtige systemen (protocel). Ook strategiebepalende organisaties in Japan zijn overtuigd van het feit dat synthetische biologie een belangrijk R&D-thema wordt.Mede dankzij de ontdekking van de DNA-structuur door James Watson en Francis Crick in 1953 (1) zijn er ontzettend veel ontdekkingen gedaan op het gebied van biologische processen op cellulair en moleculair niveau. Sindsdien bevinden de moleculaire biologie en biotechnologie zich in een stroomversnelling, door onder andere ontwikkelingen in de verschillende –omics gebieden en door de lage prijzen voor gen-sequencing en DNA-synthese (2). Door invloeden vanuit andere vakgebieden (zoals nanotechnologie, chemie en informatietechnologie) is er een nieuw, veelomvattend wetenschapsveld ontstaan: synthetische biologie.
Biologie vanuit ingenieursperspectief
Synthetische biologie kan het best worden omschreven als een multidisciplinaire technologie die focust op het (her)ontwerpen, modelleren/simuleren en bouwen van zowel artificiële biologische componenten met onnatuurlijke eigenschappen, als biologische systemen die gelijkenis vertonen met levende cellen met specifieke doeleinden (3). Synthetische biologie ligt daarmee op de grens tussen biofysica en nanotechnologie aan de ene kant, en synthetische chemie en moleculaire biologie aan de andere kant. Genetic engineering (dat is het uitgebreide palet aan mogelijkheden met genetische modificatie) is een belangrijk gereedschap in het herontwerpen en construeren van biologische systemen.
Verschillende subvelden
Synthetische biologie heeft een multidisciplinair karakter; er kan onderscheid gemaakt worden tussen verschillende wetenschappelijke stromingen binnen dit veld. Activiteiten in synthetische biologie kunnen daarbij worden onderverdeeld in vijf subvelden of categorieën. Dat postuleerde Deplazes in 2009 (4).
• Bioengineering is het systematisch ontwerpen en maken van nieuwe biologische systemen met gebruik van geavanceerde genetische modificatie- technieken. In sommige gevallen wordt daarbij gebruik gemaakt van gestandaardiseerde biologische componenten (beter bekent als BioBricksTM). Er wordt voornamelijk gesleuteld aan metabole routes die vervolgens geïmplementeerd kunnen worden in modelorganismen als E.coli en S. Cerivisiae.
• Protocel synthetische biologie draait om het van de grond af opbouwen van synthetische cellen, met behulp van chemische processen. Een belangrijke drijfveer is het begrijpen van biologische systemen door ze te synthetiseren.
• Onnatuurlijke moleculaire biologie is gebaseerd op de ontwikkeling van ‘nieuwe levensvormen’ door bijvoorbeeld het introduceren van non-conventioneel erfelijk materiaal (DNA bestaande uit nieuwe basenparen), of door het ontwerpen van onnatuurlijke transcriptie- en translatiemethoden voor de productie van eiwitten en het besturen van biologische processen in de cel.
• Synthetische genomics gaat over de chemische synthese van (minimale) genomen die geïmplementeerd kunnen worden in chassiscellen ter aansturing van specifieke gecontroleerde processen. Dit onderzoeksgebied is een direct gevolg van technologische vorderingen en kostenverlaging in DNA-synthese.
• In silico synthetic biology: omvat het modelleren en simuleren van biologische systemen met geavanceerde software. Hoewel organismen vooralsnog veel te complex zijn om geheel te simuleren, worden modellen van biologische systemen en bijvoorbeeld metabole routes steeds nauwkeuriger. Ze zijn dan ook van belang in alle andere subvelden van synthetische biologie.
Uiteenlopende toepassingen
De British Royal Academy of Engineering ziet veel potentie in synthetische biologie en voorziet verschillende toepassingen in gebieden als farmaceutische industrie en (petro-)chemische industrie. Ze verwacht positieve effecten voor gezondheid en milieu (5). In de nabije toekomst zullen met behulp van bioengineering nieuwe medicijnen en biobrandstoffen geproduceerd worden. Andere toepassingen zijn bijvoorbeeld biosensoren die arsenicum detecteren en die zijn ingebouwd in simpele organismen. Of synthetische biomaterialen, zoals bioplastics en synthetisch rubber. Op de lange termijn wordt gedacht aan ‘op maat gemaakte’ medicijnen, aan organen en synthese van weefsel, minimale cel, aan synthetische genomen en aan het vervangen van olie-afhankelijke producten door biologische surrogaten. Artificiële biologische systemen of herontworpen organismen zullen dienst doen als controleerbare minifabriekjes. Ze kunnen mogelijk fungeren als nieuwe standaard voor de opbrengst van verschillende producten en materialen op een milieuvriendelijke wijze.
Synthetische biologie in Japan
De Verenigde Staten is op mondiaal niveau voortrekker van synthetische biologie. Europa en Azië volgen gestaag. Ook in Japan vinden belangrijke en interessante onderzoeken plaats op het gebied van synthetische biologie. Hieronder enkele voorbeelden.
Japan staat bekend om de ‘monozukuri’, de hoogwaardige maakindustrie. Dit zie je terug in de meest prominente categorie van synthetische biologie in Japan: protocel synthetische biologie. Er is veel aandacht voor het van de grond af ontwerpen en synthetiseren van biologische systemen. Denk bijvoorbeeld aan een artificiële cel; een liposoom (membraan dat zorgt voor een afgesloten micro-omgeving) met daarin (gesynthetiseerde) biologische componenten die bepaalde chemische of biologische processen kunnen voltrekken. Dergelijke systemen zijn beter controleerbaar dan conventionele organismen, kunnen niet interfereren met de natuur, zijn breed toepasbaar en veel minder complex dan conventionele organismen. Bovendien draagt de ontwikkeling van dit soort systemen bij aan kennis over de werking van natuurlijke systemen.
Een goed voorbeeld is het onderzoek van Dr. Takinoue (6) aan de Universiteit van Tokio. Hij werkt vanuit de biofysica aan het beter begrijpen van interacties tussen biomoleculen en aan het ontwikkelen van autonome biologische systemen. Hij focust op spontane bewegingen en autonome informatieoverdracht in micro- en nano-systemen vanuit non-equilibrium fysica. Recent werk omvat onderzoek naar een autonome RNA-computer en de spontane dynamica van microdruppels.
Een van de meest prominente onderzoeken op dit gebied wordt geleid door professor Yomo (7) aan de Universiteit van Osaka. Ondersteund door de ‘Japanese Science and Technology Agency’ (JST) en als onderdeel van de ‘Japanese Society for Cell Synthesis’, doet hij onder andere onderzoek naar de constructie van artificiële cellen. Dergelijke cellen zouden kunnen fungeren als mini-reactor of ‘wet simulator’ voor het testen van computermodellen uit de systeembiologie in vitro, of beter gezegd, in liposome. Over vijf jaar hoopt hij dat dit systeem kan fungeren als uniform platform voor gecontroleerde biotechnologische experimenten. Daarnaast wordt er in zijn groep gewerkt aan 1) een ‘microfluidic reproduction’-systeem dat artificiële evolutie en selectie toelaat, aan 2) experimentele verificatie van zelf-replicatie in liposomen en aan 3) de ontwikkeling van symbiose tussen twee onafhankelijk geëvolueerde organismen.
Daarnaast werkt dr. Umeno (8) van de Chiba University aan de ontwikkeling van mini-cellen uit delende E.coli-bacteriën die wél de essentiële eiwitten en andere moleculen bevatten om biologische processen te voltrekken, maar die geen genoom meer bevatten. Door hier een plasmide te introduceren kunnen, in een gecontroleerde omgeving zonder interferentie van het genoom, bepaalde reacties of metabole routes aangestuurd worden.
Onnatuurlijke moleculaire biologie wordt in Japan onder andere vertegenwoordigd door professor Kiga (9) van de Tokyo Institute of Technology. Hij houdt zich bezig met het herontwerpen van het huidige translatiesysteem in organismen door nieuwe tRNA-moleculen te ontwerpen en introduceren. In de toekomst zou een nieuw transcriptie- en translatiesysteem de mogelijkheid tot contaminatie van natuurlijke systemen tegengaan.
Op het gebied van Bioengineering vinden er ook interessante ontwikkelingen plaats. Zo werkt dr. Matsui (10) van het RIKEN Instituut in Yokohama aan de productie van bioplastics met behulp van planten. Een groot voordeel ten opzichte van het gebruik van bacteriën is de onafhankelijkheid van glucose en andere dure bouwstoffen. Zonlicht is echter wel noodzakelijk.
Dr. Ueda (11) van RIKEN Kobe en dr. Iwasaki (12) van Waseda University werken vanuit de systeembiologie en de synthetische biologie aan ‘circidian clocks’, oscillerende cellulaire processen in organismen die bij de mens bijvoorbeeld hormoonspiegels en slaap reguleren. Een beter begrip van dit concept zal van belang zijn voor het behandelen van verscheidene ziekten.
Aan de Universiteit van Kobe wordt in het kader van ‘Innovative BioProduction Kobe’ door professor Hasunuma (13) onderzoek gedaan naar een innovatieve en efficiënte manier om ethanol te produceren uit cellulosemateriaal in gistcellen. Hierbij wordt de cellulose volledig extracellulair afgebroken aan de hand van herontworpen eiwitten die op het membraan bevestigd zijn. Vervolgens kan de cel de geproduceerde glucose opnemen en omzetten tot ethanol.
Toekomst
Wereldwijd zijn de verwachtingen ten aanzien van synthetische biologie hoog gespannen. Japan zal op verschillende gebieden een belangrijke rol spelen. Dat geldt zeker voor de ontwikkeling van fundamentele kennis van biologische systemen die essentieel zijn bij het ontwerpen van micro-fabriekjes en nieuwe productieprocessen. Het Center for Research and Development Strategy (CRDS, denktank en adviseur van de Japanse overheid) is zich hiervan bewust. Het zet in op synthetische biologie voor de toekomst. Ook vanuit de verschillende onderzoeksgroepen worden nieuwe initiatieven opgezet. Zo zal het RIKEN Kobe nog dit jaar een nieuw centrum opzetten met systeem- en synthetische biologie in de hoofdrol.
Bron
1. James Watson and Francis Crick, Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid, 1953, Nature, Vol. 171, No. 4356, pp. 737-738
2. Robert Carlson, The changing economics of DNA –synthesis, 2009, Nature Biotechnology, Vol. 27, No. 12, pp. 1091-1094
3. News Feature, What’s in a name? Nature Biotechnology, 2009, Volume 27, Number 12, pp. 1071-1073
4. Anna Deplazes, Piecing together a puzzle, an exposition of synthetic biology. EMBO reports, 2009, Volume 10, Number 5, pp. 428-432
5. The Royal Academy of Engineering, Synthetic Biology: scope, applications and implications, London, The Royal Academy of Engineering, 2009
6. Dr. Takinoue, University of Tokyo, http://meso-molsys.jpn.org/biophys-takinoue/index.cgi?page=TopPage
7. Professor Yomo, Osaka University, http://www-symbio.ist.osaka-u.ac.jp/en/index.html
8. Dr. Umeno, Chiba University, http://www.eng.chiba-u.ac.jp/e-grad-school14.html
9. Professor Kiga, Tokyo Institute of Technology, http://www.sb.dis.titech.ac.jp/
10. Dr. Matsui, RIKEN Yokohama, http://www.psc.riken.jp/english/group/functional/index.html
11. Dr. Ueda, RIKEN Kobe, http://www.cdb.riken.go.jp/en/index.html
12. Dr. Iwasaki, Waseda University, http://www.f.waseda.jp/hideo-iwasaki/english.html
13. Professor Hasunuma, Kobe University, http://www.sbj.or.jp/e/news/news_20091124-1.html
