Genkanon: hoe een drukgaspistool DNA in cellen schiet
Een genkanon is, heel letterlijk, een klein kanon dat geen kogels afvuurt maar microscopisch kleine metaaldeeltjes die bedekt zijn met stukjes DNA. Met een schokgolf van perslucht of een drukgaspatroon worden deze deeltjes de cel in geschoten, waar het DNA loskomt en zich in het erfelijk materiaal van de cel kan nestelen. Het klinkt bruut, en dat is het ook een beetje: waar andere technieken proberen om DNA voorzichtig een cel binnen te smokkelen, kiest de genkanon voor rauwe kracht.
Stel je een plantencel voor als een kluis met een extra dikke stalen wand — de celwand. Veel gangbare methodes om genetisch materiaal een cel binnen te krijgen, werken goed bij dierlijke cellen maar lopen vast op die stevige plantenwand. De oplossing die onderzoekers in de jaren tachtig bedachten: schiet er gewoon doorheen. Vandaar de bijnaam gene gun in het Engels, in het Nederlands weleens "genkanon" genoemd. Het is een van de oudste en meest directe methodes uit de gentechnologie, en ondanks de opkomst van precisere technieken zoals CRISPR wordt de genkanon nog altijd gebruikt in laboratoria wereldwijd.
Wat is het precies?
Technisch gezien heet de genkanon een "biolistisch deeltjes-afgiftesysteem" (biolistic particle delivery system) — een samentrekking van "biologisch" en "ballistisch". Het proces verloopt in een paar stappen.
Eerst worden piepkleine deeltjes van goud of wolfraam, met een doorsnede van een paar micrometer (duizend keer dunner dan een millimeter), bedekt met een laagje DNA of RNA. Deze deeltjes fungeren als microscopische "kogels".
Vervolgens worden ze in het apparaat geladen, vaak op een klein drager-schijfje. Een schok van samengeperst heliumgas of, in de originele versie, het ontstekingsgas van een buskruitpatroon, versnelt de deeltjes tot enorme snelheden.
De deeltjes worden afgevuurd op een petrischaaltje met cellen of weefsel. Door de hoge snelheid doorboren ze de celwand en het celmembraan zonder de cel volledig te vernietigen. Eenmaal binnen laat het DNA los van het metaaldeeltje en kan het, als het meezit, worden opgenomen in het genoom van de cel of tot expressie komen in de celkern.
Het metaaldeeltje zelf is biologisch inert — het reageert niet met het lichaam of de cel — en blijft simpelweg achter in het weefsel. Niet elke beschoten cel neemt het DNA daadwerkelijk op; het is een kansspel op microschaal, waarbij onderzoekers na de "beschieting" moeten testen welke cellen het gewenste gen tot expressie brengen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het achterliggende doel is simpel te formuleren: genetisch materiaal op een betrouwbare, snelle manier in een cel krijgen, ongeacht het celtype. Voor de uitvinding van de genkanon was dat bij planten een hardnekkig probleem. De meest gebruikte methode, met behulp van de bacterie Agrobacterium tumefaciens, werkt uitstekend bij sommige plantensoorten maar nauwelijks bij belangrijke gewassen als mais, tarwe en rijst.
De genkanon omzeilt dat probleem door de celwand simpelweg met kracht te doorbreken, ongeacht welke soort plant of cel het betreft. Dat maakte het mogelijk om ook "lastige" gewassen genetisch te bewerken, wat de deur opende voor gg-gewassen (genetisch gemodificeerde gewassen) met eigenschappen als ziekteresistentie of verbeterde voedingswaarde.
Later bleek de techniek ook bruikbaar buiten de plantenwereld: voor het inbrengen van DNA in dierlijke cellen, schimmels, bacteriën en zelfs voor experimentele DNA-vaccins bij mensen en dieren, waarbij het lichaam zelf een eiwit uit het ingebrachte DNA aanmaakt om een immuunreactie op te wekken.
Voorbeelden uit de praktijk
De genkanon werd eind jaren tachtig ontwikkeld door plantengeneticus John Sanford en collega's aan Cornell University in de Verenigde Staten. De eerste succesvolle experimenten met uiencellen dateren van rond 1987, en het apparaat werd al snel commercieel doorontwikkeld.
Een van de bekendste toepassingen is Golden Rice, een rijstvariant die door onderzoekers Ingo Potrykus en Peter Beyer eind jaren negentig werd ontwikkeld. Met behulp van de genkanon werden genen ingebracht die de rijstkorrel bèta-caroteen laten aanmaken, de voorloper van vitamine A. Het doel: vitamine A-tekort bestrijden in delen van Azië en Afrika waar rijst het hoofdvoedsel is.
Ook bij de ontwikkeling van Bt-mais en Bt-katoen — gewassen die een eigen insecticide aanmaken dankzij een gen uit de bacterie Bacillus thuringiensis — is de genkanon in de jaren negentig veelvuldig gebruikt om de eerste generaties proefplanten te maken.
Buiten de landbouw experimenteerde het Britse bedrijf PowderJect Pharmaceuticals rond de eeuwwisseling met een naaldloze variant van de genkanon om DNA-vaccins direct in de huid te schieten, onder meer voor onderzoek naar hepatitis B- en griepvaccins.
In laboratoria wordt de techniek tegenwoordig ook gebruikt om fluorescerende merker-genen in cellen te brengen voor basaal onderzoek naar celbiologie, en in de forensische en archeologische wetenschap om DNA in moeilijk te bewerken monsters te brengen voor onderzoeksdoeleinden.
Hoe ver is de techniek?
De genkanon is geen opkomende technologie meer, maar een volwassen, decennia oude methode die inmiddels grotendeels naast — en soms in de schaduw van — nieuwere technieken bestaat. Commerciële systemen, zoals het bekende PDS-1000/He-apparaat, zijn al sinds de jaren negentig verkrijgbaar en worden nog altijd gebruikt in plantenbiotechnologie-labs.
De belangrijkste beperking is de lage precisie: waar CRISPR-Cas9 en aanverwante technieken gericht een specifieke plek in het DNA kunnen bewerken, plaatst de genkanon het nieuwe DNA min of meer willekeurig in het genoom. Dat kan onbedoelde effecten hebben, bijvoorbeeld als het DNA in of naast een ander belangrijk gen terechtkomt. Voor toepassingen waarbij precisie cruciaal is — zoals gentherapie bij mensen — hebben virale vectoren en CRISPR-gebaseerde afgiftesystemen de genkanon dan ook grotendeels verdrongen.
Voor planten blijft de genkanon echter relevant, juist omdat sommige gewassen nog altijd lastig te bewerken zijn met alternatieve methoden. Ook wordt de techniek nog gebruikt in fundamenteel onderzoek waar snelheid en eenvoud belangrijker zijn dan absolute precisie.
Een eerlijke kanttekening: er bestaat geen centrale "routekaart" of duidelijke tijdlijn voor verdere ontwikkeling van de genkanon zelf, zoals die wel bestaat voor bijvoorbeeld CRISPR. Het is vooral een gevestigd hulpmiddel geworden, geen actief onderzoeksgebied met grote doorbraken op de korte termijn.
Wie werken eraan?
Cornell University in de Verenigde Staten geldt als bakermat van de techniek, dankzij het werk van John Sanford. Het Amerikaanse bedrijf Bio-Rad Laboratories is wereldwijd de bekendste producent van commerciële genkanon-systemen en levert apparatuur aan universiteiten en biotechbedrijven.
Op het gebied van toepassingen in de landbouw zijn agrobiotech-bedrijven en universitaire onderzoeksgroepen in de Verenigde Staten, Zwitserland (waar Golden Rice mede werd ontwikkeld, aan de ETH Zürich) en diverse Aziatische landbouwinstituten actief, vaak in publiek-private samenwerkingen gericht op voedselzekerheid.
Daarnaast zijn universitaire laboratoria wereldwijd — in de plantenbiologie, celbiologie en vaccinontwikkeling — gebruikers van de techniek, zonder dat er één dominante onderzoeksgroep is die de ontwikkeling van de genkanon zelf aanstuurt; het is inmiddels vooral gestandaardiseerde labapparatuur geworden.