Wat een nieuwe DNA-‘knip-en-plaktechniek’ kan betekenen voor de voedselindustrie

Betere oogsten, betere smaken, meer resistentie tegen plantenziekten en oplossingen voor allergenen als gluten – in Amerika wordt onderzocht wat genome editing wel of niet zou kunnen betekenen voor de voedselindustrie.woensdag 22 augustus 2018

Dit verhaal werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com. In Europa wordt genome editing (CRISPR) gezien als genetische modificatie en is er strenge wetgeving op van toepassing. Dit verhaal gaat over de mogelijkheden die verkend worden in Amerika. Het toepassen van de gentechnologie CRISPR zou volgens de wetenschappers onder andere kunnen leiden tot betere oogsten, betere smaken, meer resistentie tegen plantenziekten en oplossingen voor allergenen als gluten.

Door Eric Miller

Op een lap grond van vijf hectare, ergens in een onopvallende buitenwijk op Long Island in New York, groeit misschien wel iets nieuws.

Onder een zinderende julizon buigt Zachary Lippman zich over een rij pruimtomatenplantjes van ruim dertig centimeter hoog. Hij laat me de gele knoppen zien die elk één pruimtomaat zullen voortbrengen, waarna de vruchten gedurende de zomer zullen rijpen. Zo te zien wordt op deze voormalige melkveehouderij alles geteeld en verbouwd zoals dat al vele eeuwen gebeurt.

Maar in een naburig laboratorium heeft Lippman de aloude techniek van de gewasveredeling een handje geholpen met wat knip- en plakwerk in het DNA van de plant, en nu is zijn ‘aangepaste’ plant klaar om vrucht te dragen in het veld.

“Er is nog een lange weg te gaan, maar wat we in de afgelopen vier à vijf jaar hebben kunnen doen, is ongelooflijk,” zegt Lippman, professor in de genetica aan het Cold Spring Harbor Laboratory. “Het is gewoon sciencefiction.”

Hij creëerde de tomatenplantjes met behulp van genoomaanpassing (genome editing), een gentechnologie die berust op een natuurlijk proces en die onderzoekers in staat stelt bepaalde stukjes DNA weg te knippen om de eigenschappen van een plant te veranderen. De genetische structuur van de aangepaste plantencel repareert zichzelf automatisch, maar dan zonder het weggeknipte gen. Lippmans tomaten zijn nu zodanig aangepast dat ze tweemaal zoveel twijgen produceren, en daarmee ook tweemaal zoveel tomaten.

De belofte van 'gene editing'

In de geneeskunde zouden erfelijke ziekten – waaronder sommige aangeboren hartafwijkingen en kankers, en ook een zeldzame stoornis die het gezichtsvermogen aantast – met behulp van genoomaanpassing genezen kunnen worden. In de landbouw zouden met deze technologie gewassen gecreëerd kunnen worden die niet alleen hogere opbrengsten produceren, zoals Lippmans tomaten, maar ook veel meer voedingswaarde hebben en beter bestand zijn tegen droogten en ongedierte – eigenschappen die de gewassen weerbaarder zullen maken tegen de extremere weersomstandigheden die voor de toekomst worden voorspeld.

Momenteel wordt in honderden R&D-laboratoria gewerkt aan het testen van de veelbelovende CRISPR-technologie(de afkorting staat voor ‘Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats’) waarmee een hele reeks agrarische kwesties voor consumenten en landbouwers opgelost zou kunnen worden: tarwe met minder gluten die ook door mensen met glutenallergie gegeten zou kunnen worden, champignons die niet bruin worden als ze gekneusd raken, sojabonen met minder ongezonde vetzuren, en cacaovariëteiten die de wereldwijde chocoladeproductie veilig zullen stellen (snoepfabrikant Mars financiert pogingen om cacaoplanten weerbaarder te maken tegen een virus dat op cacaoplantages in West-Afrika huishoudt).

Dit jaar kwam de eerste van deze nieuwe, aangepaste planten op de markt: koolzaad. Meer gewassen zullen in 2019 volgen. Volgens Amerikaanse toezichthouders bevatten deze gewassen geen ‘vreemd’ DNA – bijvoorbeeld genen van virussen of bacteriën, die wel werden gebruikt voor het creëren van de eerste gmo’s (‘genetisch gemodificeerde organismen’ in de Engelse afkorting) – en hebben ze dus niet de strikte regulering en de vele jaren van tests nodig die voor gmo’s gebruikelijk zijn. Maar op 25 juli oordeelde het Europese Hof van Justitie dat gewassen die zijn veranderd met behulp van genoomaanpassing, aan dezelfde regels zijn gebonden als gmo’s.

Landbouwwetenschappers hebben de afgelopen 25 jaar gewerkt aan het veredelen van gewassen met behulp van gentechnologie, waarbij genen van de ene plantensoort (of bacterie) worden overgeplaatst naar het genoom van een andere soort. Dankzij de zo gecreëerde gmo’s kunnen boeren bijvoorbeeld meer pesticiden gebruiken zonder dat ze de gewassen zelf aantasten, of ziektebestendige papaja’s op Hawaï produceren.

Hoewel wetenschappelijk is aangetoond dat het eten van gmo’s geen schadelijke effecten op de menselijke gezondheid heeft, worden deze producten vaak door boycots van consumentengroeperingen getroffen en zijn ze in de EU en sommige Amerikaanse staten aan strikte regelgeving gebonden. Daarbij spelen wantrouwen tegenover de grote multinationals die deze gmo’s creëren en onbehagen over het mengen van genen van twee verschillende soorten een belangrijke rol.

Maar bij nieuwere gentechnologieën als CRISPR (er zijn nog meer technieken) wordt hetzelfde effect bereikt zonder dat genen van het ene organisme naar het andere worden overgeplaatst. Genoomaanpassing is ook veel eenvoudiger, goedkoper en sneller dan het creëren van gmo’s.

Omdat genoomaanpassing relatief eenvoudig is voor mensen met de juiste scholing en een simpel laboratorium, en niet door enkele grote ondernemingen wordt gecontroleerd, denken sommige experts dat ontwikkelingslanden met behulp van deze techniek – en dus zonder de noodzaak om kostbaar zaadgoed van grote multinationals aan te kopen – gewassen zouden kunnen creëren die meer voedingswaarde hebben of goed tegen de droogte kunnen. Genoomaanpassing is ook een veel snellere techniek dan de aloude veredelingstechniek, waarbij telers vele generaties van een gewassoort met elkaar moeten kruisen om uiteindelijk tot de gewenste eigenschappen te komen. Dankzij de CRISPR-techniek wordt dat proces met vele jaren ingekort.

‘Troef achter de hand’

“Het gaat hier om het vinden van efficiëntere manieren om de productiviteit van gewassen te verbeteren,” zegt Lippman (45), die in de laatste tien jaar voorop heeft gelopen in het onderzoek naar genoomaanpassing.

Generaties lang gaven tomatenkwekers de voorkeur aan minder – in plaats van aan méér – twijgen per plant, omdat de stengel onder het gewicht van de tomaten zou ombuigen of omdat al die extra bloesems niet in tomaten zouden veranderen, waardoor de totale opbrengst juist zou dalen. “We moesten het juiste evenwicht vinden,” zegt Lippman.

Na jaren van onderzoek naar verschillende genen wisten wetenschappers het aantal twijgen precies af te stellen, door de activiteit van bepaalde genen te onderdrukken. Ook maakten ze de tomatenplanten gemakkelijker om te plukken, door ervoor te zorgen dat de groene kelkblaadjes aan de plant blijven hangen en niet samen met de vrucht worden geplukt.

“We werken nog steeds met alles wat de natuur ons biedt. Bij traditionele veredeling moet je het doen met wat de natuur heeft overgelaten van het DNA,” zegt Lippman. “Maar met genoomaanpassing heb je een troef achter de hand.”

‘Alsof je heel hard rijdt’

Toch is niet iedereen ervan overtuigd dat genoomaanpassing een verbetering is ten opzichte van traditionele veredelingsmethoden. Bij genoomaanpassing wordt het genoom van een gewas permanent veranderd, waarna de aanpassing via de zaden wordt doorgegeven. Sommigen zeggen dat de CRISPR-technologie profiteert van regelgeving op het gebied van de biotechnologie die nog niet is afgestemd op de nieuwste ontwikkelingen.

“Dit is een nieuwe vorm van gentechnologie, of je het nu ‘transgeen’ (gmo’s) of niet noemt,” zegt Jaydee Hanson, analiste van het Center for Food Safety, een ngo in Washington DC. “Dit zou goed gereguleerd moeten worden. We zeggen niet dat het verboden moet worden, maar wel dat we moeten weten wat er precies wordt gedaan.”

Maar in de voorgenomen etiketteringsregels van de federale overheid in de VS wordt voedsel dat met CRISPR en andere gentechnologieën is ontwikkeld, vrijgesteld van zulke regels, omdat bij genoomaanpassing geen stukjes ‘vreemd’ DNA worden gebruikt.

Experts denken dat het succes van genoomaanpassing uiteindelijk niet zal worden bepaald door wetenschappers, ondernemers of activisten, maar door de consument en de boeren.

Zo zegt één onderzoeker dat hij met behulp van genoomaanpassing een beter smakende tomaat zou kunnen produceren, door de smaakversterker lycopeen te verbeteren, maar dat hij daar tot nu toe van heeft afgezien.

“Ik wil niet de eerste zijn, liever de tweede,” zegt Harry Klee van de University of Florida. “Het is alsof je heel hard rijdt op de snelweg.”

Klee weet dat er een goede markt is voor zijn zaden van traditioneel gekruiste tomatenvariëteiten; hij aarzelt om variëteiten te gebruiken die met CRISPR zijn aangepast, omdat hij niet kan voorspellen hoe het publiek erop zal reageren.

Met de tijd mee gaan

Een paar kilometer buiten Clark in South Dakota hebben Jason McHenry en zijn vader een boerderij van zeshonderd hectare, waar ze tarwe, maïs en sojabonen verbouwen en vee houden. Ongeveer twintig jaar geleden begonnen de McHenry’s met het zaaien van genetische gemodificeerde maïs en sojabonen, die weerbaar zijn tegen onkruid en ongedierte als rondwormen, zodat ze minder bestrijdingsmiddelen hoefden te gebruiken.

“Het heeft ons leven gemakkelijker gemaakt en ons geholpen het onkruid de baas te worden,” zegt McHenry (33), een boer van de derde generatie. Het bespaarde de familie ook veel arbeidsuren en verhoogde de productie.

Tegelijkertijd beseft hij dat sommige consumenten gmo’s mijden, onder wie zijn twee zussen, die met hun gezinnen in de buurt wonen. Ook sojabonen zijn in een kwaad daglicht komen te staan omdat bakoliën op basis van sojabonen veel transvetten bevatten, die de cholesterolspiegel in het bloed verhogen en zo kunnen bijdragen aan hart- en vaatziekten. De Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) heeft van de bedrijven geëist dat ze deze vetten in juni 2018 geheel uit hun producten hebben verwijderd.

Maar op een bijeenkomst van sojabonentelers in South Dakota vernam McHenry vorig jaar dat er een nieuw type sojaboon is ontwikkeld, een plant die gezondere oliën met veel oliezuur produceert, een bestanddeel dat ook in olijfolie en avocado zit.

De nieuwe plant werd gecreëerd met behulp van Talen, een andere techniek voor genoomaanpassing die door de University of Minnesota is ontwikkeld en door het jonge biotechnologiebedrijf Calyxt wordt gecommercialiseerd. In deze sojaboon zijn twee genen aangepast die verantwoordelijk zijn voor de synthese van vetzuren; de olie die zo wordt geproduceerd, bevat geen transvetten en is geschikt voor koken, bakken en braden.

McHenry en zijn vader besloten ruim dertig hectare met de plant in te zaaien. “Als we een gezonder Amerika willen, dan moet dat maar bij ons beginnen,” zegt McHenry. “Mijn zussen waren erg blij en zeiden: dit is wat we moeten doen.”

McHenry is nu bezig met zijn tweede oogst. Calyxt levert de zaden en koopt daarna de sojabonenoogst terug. Het bedrijf perst de bonen om er olie uit te winnen, terwijl de vermaalde pulp aan koeien en varkens wordt gevoerd.

Ook de marktvraag is belangrijk voor boeren als de McHenry’s. “We begonnen met één akker, om te zien hoe het zou werken,” zegt hij. “Het heeft geen zin dingen te verbouwen die mensen niet willen kopen.”

Volgens de directeur van Calyxt, Federico Tripodi, onderzoekt de voedingsindustrie momenteel of de olie als bakproduct en als ingrediënt in notenpasta’s en vleesvervangers kan worden gebruikt. Hij hoopt snel een koper te zullen vinden.

“In de VS bestaat er veel wantrouwen tegenover gmo’s,” zegt Tripodi. “Dat komt deels door het idee dat deze producten onnatuurlijk zouden zijn en alleen ten behoeve van grote ondernemingen zijn ontwikkeld, niet voor de consument. Tegelijkertijd zijn er steeds meer consumenten met gezondheidsproblemen als diabetes, overgewicht en voedselallergieën, en die zorgen beïnvloeden hun voedingskeuzes.” Naast de sojaolie met minder transvetten ontwikkelt Calyxt ook een tarwevariëteit met meer vezels en minder gluten.

Kennisexport

Plantengenetici hopen ook dat boeren in ontwikkelingslanden, die over weinig middelen en technologische toepassingen beschikken, kunnen profiteren van genoomaanpassing.

Samuel Acheampong groeide op in een dorpje buiten Cape Coast in Ghana, waar de zoete aardappel tot het basisvoedsel behoort. Als junior-onderzoeker aan de North Carolina State Universityontwikkelt Acheampong met behulp van de CRISPR-technologie een grotere zoete aardappel.

In zijn laboratorium op de uitgestrekte campus in Raleigh, North Carolina, legt Acheampong uit hoe hij het genoom van een Amerikaanse variëteit van de zoete aardappel in kaart heeft gebracht en heeft gebruikt om een groep genen genaamd CWII te lokaliseren. Deze genen reguleren de aanvoer van suikers, die bij de fotosynthese in de bladeren van de plant ontstaan en dan naar de wortels en de knollen (in dit geval de aardappelen) worden gestuurd.

Door deze remmende genen met behulp van de CRISPR-technologie te verwijderen, kan de plant meer suikers naar de wortels sturen. Met deze extra suikers zal de plant volgens Acheampong grotere zoete aardappelen produceren. Hoewel het moleculaire knip- en plakwerk van de CRISPR-techniek vrij eenvoudig is, kan het identificeren en sequentiëren van genen meerdere jaren duren, zegt Acheampong.

Hij is inmiddels begonnen met het kweken van cellen van zoete aardappelen. De volgende stap is het aanpassen van het genoom van deze cellen, waarna ze tot plantjes worden opgekweekt, in een kas verder uitgroeien en uiteindelijk op een proefakker worden getest.

Acheampong gebruikt de zomermaanden om DNA-monsters van vijftig Ghanese variëteiten van de zoete aardappel te verzamelen. Terug in het lab zal hij de genomen daarvan sequentiëren om de CWII-genen te lokaliseren. In toekomstige experimenten zal hij de CRISPR-techniek ook gebruiken om de resistentie van de plant tegen meerdere verwoestende Afrikaanse virussen te verbeteren en tegelijk hun gehalte aan bètacaroteen te verhogen. Dit laatste bestanddeel is een precursor (uitgangsstof) voor vitamine A, dat weer nodig is om het afweersysteem van het lichaam op peil te houden, met name bij zwangere vrouwen, kinderen en mensen die hiv-positief zijn.

“Een tekort aan vitamine A komt veel in Ghana voor. Dus wil je dat probleem aanpakken door het gehalte aan bètacaroteen te verhogen,” zegt Acheampong. “We kunnen dit in twee à drie jaar doen. Wat ik hier leer, neem ik mee terug naar Ghana.”

‘CRISPR is gedemocratiseerd’

Mede dankzij onderzoekers als Acheampong breidt de technologie van genoomaanpassing zich snel vanuit de VS en Europa uit naar ontwikkelingslanden. Een van de manieren waarop de opkomst van de CRISPR-technologie en andere vormen van genoomaanpassing kan worden vastgesteld, is door te kijken naar het aantal wetenschappelijke publicaties over het onderwerp.

In 2008 werden ruim twintig wetenschappelijke artikelen over de toepassing van CRISPR op alle mogelijke terreinen ter beoordeling ingestuurd. Inmiddels bedraagt dat aantal tien per dag. Volgens Rodolphe Barrangou zal het totale aantal artikelen spoedig de tienduizend bereiken. Barrangou is een pionier op dit gebied: hij was een van de ontdekkers van de natuurlijke CRISPR-methode die bacteriën gebruiken om binnendringende virussen te bestrijden – een vondst die zou leiden tot de moderne gentechnologie van de genoomaanpassing.

“CRISPR is gedemocratiseerd,” zegt Barrangou, hoofdredacteur van het onlangs opgerichteCrispr Journalen ook hoofd van het multidisciplinaire Crispr Lab van de North Carolina State University. “Met honderdduizend laboratoria en tien medewerkers per lab zullen spoedig ruim één miljoen genetici met deze technologie aan het werk zijn.”

Barrangou begon zijn carrière als voedselwetenschapper bij DuPont. Nadat hij in 2007 een belangrijke bijdrage leverde aan de verklaring van de werking van het CRISPR-mechanisme in de natuur, gebruikte hij de technologie om een oplossing te vinden voor een probleem in de yoghurt- en kwarkproductie, waar fermentatiestammen geregeld door virussen werden getroffen. Tegenwoordig werken hij en zijn lab aan de ontwikkeling van nieuwe probiotica, die de spijsvertering moeten verbeteren.

Barrangou is van nature dwingend positief over de CRISPR-techniek en het potentieel van deze gentechnologie om ziekten te genezen en de wereld te voeden. Het vinden van nieuwe manieren om de voedselproductie te verbeteren is volgens hem van essentieel belang, vooral nu de weersomstandigheden, de waterhuishouding en de bodemcondities door de klimaatverandering steeds onvoorspelbaarder worden. Maar hij is ook realistisch, in de zin dat er ongetwijfeld nog een paar hardnekkige problemen opgelost moeten worden.

“Het zullen geen academici zijn die de wereld zullen voeden,” zegt Barrangou in zijn kantoor op de campus. “Dankzij hun wetenschappelijke kennis stellen ze andere mensen in staat dat werk te doen, en die mensen zullen op hun beurt de wereld in staat te stellen zichzelf te voeden. Het zijn de boeren die het merendeel van ons voedsel produceren, niet de academici. En de boeren zullen hun zaden betrekken van grote zaadgoedbedrijven.”

Langzaam maar zeker beginnen die zaadgoedbedrijven zich te richten op de toepassing van CRISPR-technieken op commerciële gewassen als maïs, tarwe, vlas en koolzaad, die vooral als ingrediënten zullen worden gebruikt. De volgende stap zullen voedingswaren als aardbeien of tomaten zijn die consumenten ook daadwerkelijk kunnen zien en proeven.

Huiswerk mee

Voor Zachary Lippman vond de ultieme lakmoestest gewoon in zijn eigen achtertuin plaats: zijn vrouw Shira had zo haar bedenkingen over het eten van voedsel dat met gentechnologie was geproduceerd.

Hij liet haar kiezen tussen twee tomaten – één genetisch gemodificeerde tomaat en een die dat niet was. Zonder te weten welke tomaat een gmo was, wilde ze geen van beide eten.

In de loop van tijd hebben de Lippmans en hun zes kinderen geregeld over zijn werk gepraat. Volgens hem leidden deze gezinsdiscussies tot een beter inzicht in de problemen die mensen hebben met voedsel dat door genoomaanpassing is gecreëerd, maar ook in de voordelen ervan.

Wanneer hij het raadspelletje nu met zijn vrouw speelt, kiest zij wél voor de tomaat die met behulp van genoomaanpassing is geproduceerd.

“Ze wil de tomaat nu wel eten,” zegt hij. En de kinderen? Die houden sowieso niet van tomaten.

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com

Lees meer