De wetten van de erfelijkheid zijn gekraakt

Je kunt er in een jaar een einde aan malaria mee maken. Je kunt er misschien ook, à la een atoombom, hele soorten mee uitroeien. Ziedaar 'gene drives', een manier om razendsnel genetische veranderingen te uploaden naar de vrije natuur.

Beeld Michael Morgenstern

Valentino Gantz kon zijn ogen niet geloven. Een paar weken geleden nog maar was het dat hij fruitvliegjes M3 en F5 voorzichtig in een glazen pot had gestopt, om daar samen met wat gewone fruitvliegen een gezinnetje te stichten. En nu, een paar vliegjesgeneraties later, liet hij zijn ogen langs de inmiddels acht doorzichtige potten glijden - en viel zijn mond open.

Je zag het eigenlijk meteen. De vliegjes waren goudgeel. Allemaal, op een enkeling na.

'Het was verbluffend. Ongelooflijk eigenlijk', vertelt Gantz via Skype vanuit een krappe, met boeken en stapels paperassen volgestouwde universitaire werkkamer in San Diego. Daar stond hij dan, zomaar een Italiaanse student op stage in het lab van celbioloog Ethan Bier van de Universiteit van Californië. En uitgerekend hem was iets gelukt waarover biologen al tientallen jaren fantaseren. Valentino Gantz had de wetten van de erfelijkheid gekraakt. Niet meer en niet minder.

Genetische verandering

Want zoveel gele vliegen, dat kan eigenlijk niet. Eén vliegje geel maken door hem genetisch te veranderen, dat is nog bekend terrein, een standaardexperiment waarmee biotechnologen soms hun spullen testen. Maar daar blijft het bij. Stop zo'n gele vlieg vervolgens bij de zwarte, en je mag verwachten dat de eigenschap 'geel' geleidelijk uitdooft. Bij iedere kruising is er immers maar 50 procent kans dat het gen wordt doorgegeven. Dat wordt dus een stamboom waarbij de nieuwe eigenschap wegebt: een kwart gele vliegen na twee generaties, eenachtste na drie, eenzestiende na vier.

Maar niet vliegjes M3 en F5. Gantz en Bier hadden de insecten uitgerust met een soort turboknop die maakt dat genetische trekjes niet meer volgens de wetten van Mendel weg-echoën met de generaties - maar zich juist vermeerderen. Een toverachtige truc, genaamd een 'gene drive', waarnaar al vele biologen zochten. En de gele vliegjes in de acht glazen flessen waren het bewijs dat het werkte.

In de vliegjes was een 'genetische kettingreactie' op gang gekomen, zoals ze het noemden in hun vorig jaar verschenen, al veelvuldig geciteerde onderzoeksverslag in Science. 'In de wetenschap pakken experimenten doorgaans anders uit dan je hoopt', vertelt Gantz. 'Nu ging alles precies goed.'

Tseetseevlieg

Probleem: Slaapziekte
Schade: Zo'n 5.000 gevallen per jaar, vaak dodelijk.
Ontwikkeling: Sinds de dna-volgorde van de tseetseevlieg in 2014 in kaart is gebracht, opperen genetici soms dat het mogelijk is de vlieg met gentech immuun te maken voor de ziektekiem, een parasitaire worm.

Genetische manipulatie

Genetische manipulatie die zichzelf als een bosbrand verspreidt: het is een doorbraak die steeds heftigere schokgolven veroorzaakt in de wereld van de biotechnologie. Tot dusver is genetische modificatie iets wat zich beperkt tot de knusse beslotenheid van de plantenkas of een kooi met veranderde muizen in het lab. Maar de gene drive maakt het voor het eerst mogelijk nieuwe genetische eigenschappen uit te zetten in de vrije natuur.

'Besef eens wat het betekent', zegt synthetisch bioloog Kevin Esvelt van het MIT Media Lab, aan de telefoon vanuit Boston. 'Straks heb je nog maar één genetisch veranderd organisme nodig om een bepaalde eigenschap te verspreiden. Over de hele populatie, en uiteindelijk over de hele wereld. Dat is een big deal.'

Een genetisch toverstafje, noemde het Amerikaanse tijdschrift Science News de techniek in een uitvoerig redactioneel artikel. Zwaai ermee, en als sterrenstof dwarrelen je stoutste dromen uit over de natuur. Muggen die geen malaria, knokkelkoorts of gele koorts meer doorgeven? Geen probleem. Teken waarvan je geen Lyme meer kunt krijgen, of parasitaire wormen die geen bilharzia meer dragen? Simsalabim. Zeldzame kikkers en salamanders die genetisch beschermd zijn tegen hun plaaggeest, de huid etende schimmel Batrachochytrium dendrobatidis? Binnen bereik.

Beeld Imageselect

Mug (Aedes aegypti)

Probleem: Knokkelkoorts (dengue)
Schade: Jaarlijks 50- tot 500 miljoen nieuwe gevallen, 10- tot 20 duizend doden
Ontwikkeling: Mug die resistent is tegen type-2 van het denguevirus bestaat al, maar moet nog 'verspreidbaar' worden gemaakt met een gene drive.

Maar dat zijn de voorstanders. Vergelijk de experimenten van Gantz liever met de eerste atoomproeven, is de grimmigere toon die milieuorganisatie de ETC Group deze zomer aansloeg in een opiniestuk in The Guardian. Destructief, gevaarlijk, doodeng. 'Eenmaal gedropt in het normale verloop van de erfelijkheid kan de gene drive zelfs hele soorten vernietigen.'

Dat is inderdaad wel een dingetje, erkennen ook de voorstanders. 'Moet je je voorstellen dat zo'n geel fruitvliegje ontsnapt', zegt Esvelt, die ongeveer tegelijk met Gantz een gene drive ontwikkelde voor gistcellen. 'Binnen afzienbare tijd zouden álle fruitvliegen ter wereld geel zijn. De kranten zouden ermee volstaan, alom zou verontwaardiging klinken: die wetenschappers zijn niet te vertrouwen. Dat lijkt me misschien nog wel een grotere ramp dan de ecologische gevolgen.'

Diverse teken

Probleem: Ziekte van Lyme
Schade: In Nederland: 25 duizend gevallen per jaar, waarvan er 1.000 tot 2500 mensen langdurig klachten houden.
Ontwikkeling: Synthetisch bioloog Kevin Esvelt wil genetisch veranderde muizen ontwikkelen die immuun zijn voor de lymebacterie, en die uitzetten in Vancouver. Dit zou het natuurlijke reservoir van de ziektekiem uitputten.

Malaria

Geen wonder dat wetenschappers als Bier en Gantz zich richten op een ziekte waarvan de schade onomstreden is: malaria. 'Jaarlijks overlijden er meer dan een half miljoen mensen aan malaria', zegt Bier. 'Dat zijn duizend kinderen per dag. Naar mijn mening kunnen eventuele ecologische bijeffecten onmogelijk erger zijn dan de schade van de ziekte zelf.'

En een mogelijke oplossing is frustrerend dichtbij. In 2012 lukte het moleculair-bioloog Anthony James van de Universiteit van Californië in Irvine om een muggenvolk te maken dat geen malaria doorgeeft. Na jaren experimenteren slaagde James erin de mug genetisch zodanig te herschrijven, dat hij antistoffen aanmaakt tegen de malariaparasiet. Die kan daardoor niet meer meeliften met de mug: wég malaria-overdracht.

Roofwants (Triatoma infestans)

Probleem: Ziekte van Chagas
Schade: 6- tot 7 miljoen patiënten, ongeveer 20 duizend doden per jaar
Ontwikkeling: Vaak genoemd als kandidaat voor gene-drivetoepassingen. De wants moet dan immuun worden gemaakt voor de ziektekiem, een protozoön (micro-organisme).

Nu de mug nog in de natuur zien te krijgen. Want wil het anti-malariagen zich een beetje onder de muggen verspreiden, zul je talloze genmuggen moeten uitzetten, net zoals één roodharige familie niet meteen een heel dorp roodharig maakt. En enorme zwermen genetisch gemanipuleerde muggen loslaten: ze zien je aankomen, in de dorpen van Afrika en Azië.

Met de gene drive wordt dat opeens helemaal anders. Slechts 1 procent genetisch veranderde malariamuggen, zo blijkt uit de berekeningen, en de gene drive verspreidt de malariaresistentie in een jaar tijd over álle muggen ter plaatse. 'Stel je voor', hield de New Yorkse wetenschapsjournaliste Jennifer Kahn haar publiek voor in een al meer dan een miljoen keer bekeken TED-talk. 'In een jaar zou je dus malaria kunnen uitroeien. Er sterven duizend kinderen per dag aan malaria. Dat cijfer zou in een jaar bijna nul kunnen zijn.'

CRISPR-Cas

Hoewel genetici al zeker een halve eeuw mijmeren over een gene drive, is de (bio)technologie nu pas ver genoeg om er een te maken. Allemaal dankzij de spraakmakende nieuwe techniek genaamd 'CRISPR-Cas9', een soort zoek-en-vervangfunctie voor het herschrijven van genetische instructies in levende cellen. Dat bewijst opnieuw hoe revolutionair de techniek met de onmogelijke naam is. Eerder zette CRISPR-Cas andere futuristische zaken op de kaart, zoals hoornloze koeien, supergespierde honden, minivarkens en zelfs menselijke embryo's waaruit erfelijke ziektes zijn 'gewist'.

Dat is erg optimistisch, nuanceert desgevraagd de Wageningse muggenspecialist Bart Knols. Al is het alleen al omdat Afrika zo groot is, en er vele subsoorten muggen zijn. Maar toch: 'We moeten het vooral doen, als een van de methoden om de ziekte uit te roeien. De ellende die deze ziekte veroorzaakt is zó groot. Die parasiet moet uit het ecosysteem; de mug mag daarna blijven.'

Eerst de gene drive maar eens goed aan de praat zien te krijgen. Want hoewel Gantz, Bier en James inmiddels de koppen bij elkaar hebben gestoken om James' antimalariamug ook uit te rusten met de turboknop, blijkt het bij muggen nog niet zo simpel te werken als bij de fruitvliegjes. Vooral bij vrouwtjes blijkt de drive niet goed te 'pakken'. Ook andere laboratoria melden tegenslagen: zo worden de gene drives met het verstrijken der generaties nogal eens uit het dna verjaagd.

Het zijn aanloopproblemen, een kwestie van hier en daar een schroefje aandraaien, zeggen alle betrokkenen. 'Ik denk dat we bij onze volgende generatie muggen gereed zijn', schat Bier in. 'Dit is geen wetenschappelijk probleem meer, maar een ingenieurskwestie, van zoeken naar de juiste combinatie van onderdelen', zegt ook Esvelt, zelf niet betrokken bij de muggenexperimenten. 'In elk geval staat als een paal boven water dat we dit technisch gereed hebben lang vóórdat we als maatschappij hebben besloten of we hier iets mee gaan doen.'

Aziatische karper, Europese karper (VS) (Australië)

Probleem: Verstoring zoetwaterecologie
Schade: Miljarden euro's
Ontwikkeling: De karpers zijn invasieve soorten die de inheemse natuur verstoren. In een Australisch lab ontwikkelde men karpers met een mutatie waardoor ze alleen nog maar mannelijk nageslacht krijgen ('daughterless technology'). Onderzoek is bevroren.

'Niet toegesneden'

Dat is ook de teneur van een waaier rapporten en adviezen die deze zomer het daglicht zag. De techniek dient 'met grote zorgvuldigheid' in 'nauwgezet gecontroleerde veldexperimenten' te worden 'verkend', constateerde de Amerikaanse National Academy of Sciences in een meer dan 200 pagina's dik rapport. En in ons land signaleerde de Commissie voor Genetische Modificatie (Cogem) in een trendanalyse dat de ontwikkelingen veel sneller gaan dan verwacht. Eigenlijk is er maar een ding zeker, aldus de commissie. En dat is dat de Europese regelgeving 'niet toegesneden' is op de biotechnologische storm die op komst is.

Want malariavrije muggen zijn nog maar het begin. In aantocht zijn onder meer roofwantsen die de ziekte van Chagas niet meer overbrengen (nu nog goed voor zo'n 20 duizend dodelijke slachtoffers per jaar), parasitaire wormen die immuun zijn voor bilharzia (tot 200 duizend doden per jaar) en muggen die een van de soorten knokkelkoorts niet meer doorgeven (25 duizend doden). Wat verder in de pijplijn zitten onder meer amfibieën die immuun zijn voor dodelijke schimmelziekte en bladluizen die de voor citrusvruchten schadelijke vergroeningsziekte 'pinyin' niet meer overdragen.

Aziatische bladvlo (Diaphorina citri)

Probleem: Huanglongbing (gewasziekte)
Schade: Honderden miljoenen euro's schade per jaar aan citrusbomen
Ontwikkeling: Plannen om de bladvlo resistent te maken tegen de bacterie die de ziekte veroorzaakt zijn in ontwikkeling.

'Ik denk dat deze techniek over een jaar of vijftien steeds meer insecticiden en pesticiden heeft vervangen', zegt Gantz. 'We sproeien nu landbouwgiffen die ook schade toebrengen aan allerlei soorten waartegen ze niet zijn bedoeld, zoals insecten en vogels. Met gene-drive-techniek ga je gericht achter één plaag aan, en houd je de rest van je ecosysteem intact.'

En zo glijdt de schaal verder, naar steeds omstredener toepassingen. Zoals het compleet uitroeien van ongewenste soorten, zoals Esvelt opperde in vakblad eLife. Denk daarbij aan invasieve 'exoten' zoals de agressieve Aziatische karpers die in steeds meer Amerikaanse binnenwateren de plaatselijke vissoorten verdringen. De truc: upload een gen naar de populatie waardoor ze alleen nog maar mannelijke nakomelingen krijgen, en binnen de kortste keren zijn de dieren verdwenen. Het nadeel: één vis die ontsnapt, en in theorie komt de hele wereldkarperpopulatie in gevaar.

'Dat betekent', zegt Esvelt, 'dat het uitzetten van dit soort globale gene drives die maar doorgaan voor de meeste toepassingen waarschijnlijk geen goed idee is.' Esvelt - zijn Hollandse naam dankt hij aan een over-overgrootvader uit Nederland - werkt daarom aan een gene drive met een rem erop. Onlangs beschreef zijn groep een vernuftig systeem waarbij in de gene drive een soort eierwekker zit ingebouwd: na een aantal generaties loopt de wekker af en wordt de nieuwe eigenschap niet verder doorgegeven. 'Dat is uiteindelijk de kant die we op moeten,' vindt hij.

Maïswortelboorder, amarant

Probleem: Resistente gewasziekten
Schade: Zeker 1 miljard dollar per jaar (VS)
Ontwikkeling: De soorten zijn resistent geworden tegen Bt-toxine en glyfosaat. Experimenten om de resistentiegenen te 'wissen' zijn gaande.

En het principe? Moeten we de natuur wel willen herschrijven? Op het Skypeschermpje draait Bier er niet omheen: het is een 'wezenskenmerk van de mens' om de natuur naar onze hand te zetten, zegt hij, of we het nu leuk vinden of niet. 'We hebben dat altijd gedaan. En de vraag is nu: blijven we dat doen op de chaotische, ondoordachte manier zoals tot op de dag van vandaag? Of besluiten we om het op een doordachte, verantwoordelijke manier te doen?'

Een filosofie, die Esvelt, jong en idealistisch als hij is, op zijn website samenvat in een zin waarvan de anti-gmo-beweging ongetwijfeld zal huiveren:

'We willen een fundamentele vergissing van ons universum rechtzetten. Namelijk, dat de evolutie geen moreel kompas heeft.'

Beeld RV

Geweld met gene drives?

Leuk, zo'n gene drive waarmee je de natuur genetisch kunt veranderen. Totdat de terroristen en het leger hem ontdekken. Een veeg teken dat de onderzoekstak van het Amerikaanse leger DARPA interesse heeft getoond, schreef milieuactivist Jim Thomas onlangs in een geruchtmakend opiniestuk. 'Stel je voor dat een vijandige mogendheid de oogst van een eilandstaat zou kunnen vernietigen door stilletjes een gene drive te introduceren die een insectenpopulatie giftig maakt?'

Wetenschappers denken dat het wel losloopt. Gene drives werken alleen bij soorten die zich snel en seksueel voortplanten - dus niet bij virussen of bacteriën, en trouwens ook niet bij langzame voortplanters zoals planten, mensen en andere zoogdieren. Dat maakt de techniek ongeschikt voor het directe geweld van oorlogen en aanslagen.

Bovendien komt er hogere biologie bij kijken, waardoor, zoals wetenschapsjournalist Jennifer Kahn zei, terroristen waarschijnlijk toch eerder kiezen voor 'gewoon iets opblazen'.

Beeld de Volkskrant
Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@volkskrant.nl.