Dna gericht en gemakkelijk herprogrammeren: wat is Crispr-Cas precies?

Nelleke Kreike heeft een opmerkelijk idee. Een petunia of lelie die ruikt naar rozen, dat lijkt haar wel wat. 'Je schakelt nare geuren uit, zet lekkere geuren aan', zegt ze en beweegt haar vinger in de lucht alsof ze knopjes indrukt. 'Of je zou nieuwe vormen kunnen maken. Bloemen in bloemen, een leuke franje aan het blad. Dat het er opeens heel aantrekkelijk uitziet. Of je kunt met de kleur spelen. Katoen zo maken dat die al blauw is, zodat je niet meer hoeft te verven, waarom niet?'

Het is een ongewone wereld die Kreike voor zich ziet, kleurrijk en geurrijk en vol wulpse vormen, als de buitenaardse bloemenplaneet uit de sciencefictionfilm Avatar. Alleen zijn in dit geval de special effects écht. Binnen bereik gebracht door een wonderlijke nieuwe laboratoriumtechniek, of eigenlijk een reeks technieken, die alom wordt bejubeld als de grootste en meest sensationele doorbraak in de levenswetenschappen sinds tientallen jaren. De mogelijkheid om het leven zélf te fotoshoppen.

Leg je oor te luisteren in de Nederlandse laboratoria en je hoort meer verhalen zoals die van Kreike. De een begint over micro-organismen die zo worden geprogrammeerd dat ze ieder geneesmiddel, bioplastic of voedingsmiddel kunnen maken dat je maar kunt bedenken. Anderen beginnen over allergeenvrije pinda's en appels, gewassen die tegen zout of droogte kunnen, en planten verrijkt met vitamines of geneeskrachtige stoffen.

Zoom wat uit, weg uit Nederland - en je ziet de revolutie die gaande is rond de nieuwe techniek in zijn volle omvang. In China maakte men al kasjmiergeiten die extra veel wol geven, varkens zo klein als poedels en honden met spierbundels als van een bodybuilder. In de VS ontwikkelde men koeien zonder hoorns, muggen die geen malaria meer kunnen doorgeven en varkens met weefsels die je naar de mens zou kunnen transplanteren. 'Maakte' men geiten, 'ontwikkelde' men koeien - let op die woorden.

Of, iets heel anders, denk aan immuuntherapie tegen kanker, zegt hoogleraar regeneratieve geneeskunde Niels Geijsen van het Hubrecht Laboratorium in Utrecht. Nog even, en men leert afweercellen uit het bloed van de patiënt om tumoren aan te vallen, verwacht hij. Wie de software van het leven eenmaal kan programmeren, heeft het allemaal binnen bereik. 'Er zijn typen tumoren die nu onbehandelbaar zijn, en waarbij je straks gewoon genezen het ziekenhuis uitloopt', zegt Geijsen.

Het zijn grote woorden, die nogal in contrast staan met de bescheiden experimenteerruimte die Kreike inricht. 'Ons labje', zoals ze het noemt. Zomaar een klaslokaal in zomaar een gang van de laboratoriumschool, in een heel gewone woonwijk in Amsterdam. Ze wijst op een soort opklaptentje waarin plantjes groeien. 'Die komt gewoon van de growshop', grinnikt ze.

Toch gaat ook zij hier genetisch 'manipuleren', zoals activisten dat noemen. Met haar studenten, in een educatief onderzoeksprogramma dat deze maand van start is gegaan, in samenwerking met enkele veredelingsbedrijven, Wageningen Universiteit en de Hogeschool van Arnhem en Nijmegen. 'Het is opbouwen. Kijken of het echt zo makkelijk is als iedereen zegt. Ik wil de studenten eerst eens wat genen laten uitschakelen in ons modelsysteem, de petunia. Zodat-ie wit wordt of roze, of een dubbele bloemkroon krijgt.'

Op het verkeerde eiwit gegokt

Of hij zich niet een beetje voelt als die platenbaas die de Beatles afwees?

John van der Oost lacht erom, maar helemaal van harte is het niet. Want ja, natuurlijk had ook hij liever gezien dat niet de Frans-Duitse microbiologe Emmanuelle Charpentier en de Amerikaanse celbiologe Jennifer Doudna, maar hij de aanstichter was van de revolutie die gaande is. Dat de hele onderzoekswereld nu niet de mond vol had van 'Cas9', maar van 'Cascade' - het verwante eiwitcomplex waaraan hij al tien jaar onderzoek doet.

Maar pech, hij gokte op het verkeerde eiwit. 'Ik heb inderdaad voor de Rolling Stones gekozen, dat klonk toen beter', zegt de hoogleraar microbiologie in zijn met souvenirs en frutsels en tekeningen volgestouwde werkkamertje aan de Universiteit van Wageningen. 'Het gaat zoals het gaat.'

Het begon allemaal toen Van der Oost jaren geleden iets geks ontdekte in het dna van een microbe die zijn lab toevallig onderzocht. Een rare, zich steeds herhalende reeks genetische letters in de dna-code van de microbe. Alsof de plaat bleef hangen. Raar.

Gaandeweg werd duidelijk wat het was. Een oeroud verdedigingsmechaniek, ingebakken in het dna, waarmee microben zich virussen van het lijf houden. Tussen de zich repeterende stukken in zitten stukjes genetische code van die virussen: in feite een soort databank van nummerborden, aan de hand waarvan de microbe virussen herkent. Er komt een virus de microbe in, en het mechaniek komt tot leven, stuurt een knipenzym erop uit dat het virus aan zijn nummerbord herkent, bij zijn lurven pakt - en het doormidden knipt.

Van der Oosts team was een van de eerste dat besefte wat je daarmee kunt. Wellicht, drong in 2006 tot hem door, kun je de virus-nummerplaten vervangen door andere dna-codes en zo het mechaniek omprogrammeren. Als een soort drone: zoek het gen voor blauwe bloemkleur of voor leliegeur, en knip het door.

Dat zou uitkomst bieden voor een diep probleem in de biotechnologie. Onderzoekers die willen sleutelen aan het dna van een plant of ander organisme, doen dat doorgaans blind. Er bestaan wel allerlei technieken om nieuwe stukken dna in levende wezens te krijgen, maar je weet nooit precies waar in het dna ze terechtkomen. Toch een beetje zoiets als een tikfout in deze krant verbeteren door op de gok zomaar ergens een paar letters te vervangen, in de hoop dat u goed zit.

John van der Oost begreep dat het systeem met de nummerplaten ('CRISPR' heet het voluit) kan helpen het juiste genetische 'woord' in het dna te vinden. Genetische precisiechirurgie, het doelgericht repareren van kapotte genen, zou een feit zijn. Hij besloot een van de knipenzymen uit te kiezen voor nader onderzoek - een bouwwerk van elf aan elkaar geklikte eiwitten genaamd Cascade.

In zijn werkkamer houdt hij een wit, 3D-geprint plastic modelletje van Cascade omhoog en vertelt uitvoerig over wat zijn groep in de jaren die volgden zoal over het eiwitcomplex te weten kwam. 'Kijk, met uitsteeksels glijdt hij waarschijnlijk over dat dna heen', wijst hij naar een klein groefje in het bloemkoolachtige ding.

Gaandeweg werd ook duidelijk dat Cascade een nadeel heeft. In andere wezens dan microben, zoals planten en dieren, was de drone nauwelijks vooruit te branden - hij kwam slecht tot expressie, zeggen genetici. 'Dat wisten we van tevoren natuurlijk niet', zegt Van der Oost, met een beteuterde blik op het plastic model. 'Voor deze toepassingen is het eigenlijk een draak van een ding.'

En toen kwam de eerste plaat van de Beatles uit.

Een ander type drone - een wat eenvoudiger knip­enzym genaamd Cas9 - bleek wél universeel inzetbaar. 'Pats, het werkte in één keer', zegt Van der Oost. 'En niet in één celtype. Nee, van gisten tot schimmels tot planten tot muizen tot mensen. En alles wat daar tussenin zit. Ik denk dat niemand dat had verwacht.'

Dat anderen straks aan de haal gaan met de Nobelprijs die ongetwijfeld nadert? Van der Oost, een stoere, oorbel dragende man die je misschien eerder in een cultureel centrum zou plaatsen dan in een laboratorium, is er de persoon niet naar om erover te tobben. 'Het had een grote klapper kunnen zijn, natuurlijk is dat een beetje zuur. Maar ik vind nog steeds dat ik destijds de beste beslissing in mijn carrière heb genomen om dit te bestuderen. We hebben veel belangrijk voorwerk kunnen doen.'

Plus dat hij intussen sleutelt aan weer een ander knipeiwit, uit een andere microbe. 'In grote lijnen werkt hij hetzelfde, maar de manier waarop hij het dna knipt, is wezenlijk anders. Hij omzeilt daarmee waarschijnlijk alle patenten op Cas9 die er inmiddels zijn.'

Knippen, plakken, even schudden en klaar

Renée van Amerongen zat ermee. Eigenlijk zou ze met eigen ogen willen zien hoe haar studieobject, een eiwit met een moeilijke naam dat betrokken is bij het ontstaan van kanker, door de levende cel beweegt. Maar hoe doe je dat? Eiwitten zijn nogal klein. En levende cellen zitten tjokvol eiwitten, pik die van jou er maar eens uit.

In een ideale wereld zou Van Amerongen het wel weten. Ze zou de tumorcellen in haar kweekbakjes vertellen: maak nu eens eiwit dat licht geeft, dan kan ik ze tenminste zien. Als lichtjes van een fakkeloptocht zou ze de afzonderlijke moleculen kunnen volgen en kunnen uitvogelen met zijn hoevelen ze zijn, waarheen ze gaan en met welke andere eiwitten ze zoal omgaan.

In een ideale wereld. En toen diende die ideale wereld zich aan.

Zeker, er waren de laatste jaren al enkele technieken ontdekt om heel precieze veranderingen in dna aan te brengen, vertelt Van Amerongen in een kleine spreekruimte op de campus van de Universiteit van Amsterdam. Maar die waren ingewikkeld, omslachtig en duur. 'Ik stelde het steeds uit: daar ga ik me nog wel­eens in verdiepen.'

En toen hoorde ze van CRISPR-Cas, via een collega die er weer over hoorde op een congres. 'Waar ik al die andere technieken weglegde, snapte ik dit meteen. Toen heb ik de knoop doorgehakt: laten we het proberen.'

Een schaartje dat dna doorknipt op de plek waar je dat wilt: meer is de nieuwe sensatie eigenlijk niet. Aan de schaar - het Cas9-enzym - zit een sliertje genetisch materiaal, dat in feite dient als TomTom. De sliert legt de schaar op precies de gewenste plek tegen het dna. Daarna knipt het enzym het dna door.

En dan kan het feest beginnen. De cel zal de breuk aan elkaar lijmen, maar in de praktijk ontstaan daarbij littekens - met als gevolg dat het gen is uitgeschakeld. Van Amerongen koos voor een iets andere truc: ze smokkelde een ander stukje dna in de opening. Een bekende, 717 letters lange genetische instructie die zegt: 'Maak hier een stukje eiwit dat fluoresceert.' Voortaan zouden de cellen in haar kweekschaaltje niet zomaar tumoreiwit maken, maar tumor­eiwit met een lampje eraan.

Dna herschrijven alsof je met de zoek- en vervangfunctie van de tekstverwerker een woord verbetert, dna toevoegen op precies de plek die je wilt; geen wonder dat wetenschappers in alle staten zijn. 'Nadat ik de eerste paper hierover had gelezen, heb ik het aan al mijn labgenoten gegeven: dit is de toekomst', vertelt in Nijmegen Klaas Mulder, een andere celbioloog die CRISPR-Cas gebruikt bij zijn onderzoek naar de moleculaire finesses van mensencellen. 'Je kunt nu kiezen waar in het dna je mutaties maakt. En iedereen kan het. Het is net zo makkelijk als cakebeslag maken. Gewoon bij elkaar voegen en mixen.'

Dat is niet eens overdreven. Het enige dat Van Amerongen hoefde te doen, was de onderdelen bestellen op internet. Het Cas9-schaartje. Het stuk code dat de weg wijst. En dan het bouwpakket met behulp van wat enzymen met beproefde laboratoriumtechnieken in elkaar zetten. 'Ach, het is zó makkelijk', zegt ook Kreike. 'Een beetje knippen en plakken, even schudden en je bent klaar.'

De belangrijkste beperking is eigenlijk nog het genoom zelf. Want genbewerking is ideaal als je, zoals Van Amerongen of Kreike, een bepaald moleculair palletje wilt omzetten; lastiger wordt het als je bijvoorbeeld een heel dier wilt verbouwen. Tienduizenden genen hebben levende wezens al snel, uitgesmeerd over miljarden letters - en alles heeft met alles te maken.

'Kenmerken als groei, gezondheid of noem maar op worden aangestuurd door honderden, zo niet duizenden genen', zegt de Wageningse hoogleraar diergenetica Martien Groenen. 'Voor sommige eigenschappen zou ik op dit moment nog niet eens weten waar we met aanpassen moeten beginnen.'

En Van Amerongen? Nog geen twee jaar nadat ze voor het eerst van CRISPR had gehoord, bekijkt ze met haar promovendus Anoeska van de Moosdijk de eiwitten, die als groenige lichtslierten door de cel wandelen.

'In feite bekijken we hier het privé­leven van dit eiwit, om te zien wat hij allemaal uitspookt', zegt Van de Moosdijk. 'Het mooie is dat je dit echt in een levende cel kunt designen. Helemaal zoals je dat wilt, en van binnenuit, vanuit het dna zelf.'

'Vroeger loste je een schot hagel, in de hoop dat ook jouw gen toevallig werd getroffen', zegt Kreike. 'Maar nu zijn we opeens scherpschutters geworden: dát gen wil ik uitschakelen. Páng.'

'Gewoon op een industrieterrein'

Het nieuwe leven vindt zijn oorsprong niet in een bubbelend modderpoeltje of in een Frankensteinkasteel boven op een berg - maar gewoon op een industrieterrein, even buiten Nijmegen. Daar, naast een autoschadeherstelbedrijf, zit het bedrijf Biolegio. Een bescheiden lab achter een gevel van blauw golfplaat, waar ze sliertjes dna en RNA maken op bestelling. Oligomeren, heten die sliertjes, of kortweg oligo's.

'Nou ja, het nieuwe leven', zegt Jesse Middelwijk en hij kijkt de verslaggever afkeurend aan.

'Wat we hier maken, leeft natuurlijk niet', zegt Ruud van der Steen. 'Oligo's zijn bouwstenen. Basismateriaal.' Van der Steen, een sportieve, energieke veertiger die Biolegio twintig jaar geleden oprichtte, houdt het product dat zijn fabriek produceert omhoog: een klein plastic buisje, met daarin, eh...

'Zie je dat hele kleine druppeltje daar tegen de wand?', wijst Van der Steen.

Het is inderdaad wel een héél klein druppeltje.

'Dat is alles. We maken ze ook wel in zo'n vorm dat je ze niet eens kunt zien.'

Dat CRISPR-Cas zo snel om zich heen kan grijpen, heeft alles te maken met een omwenteling die zich de afgelopen decennia stilletjes voltrok. Op bedrijventerreinen en rond universiteiten verrees een complete biotechnologische infrastructuur, met hagelnieuwe onderzoeksgebouwen en laboratoria, een generatie levenswetenschappers die vertrouwd is met de mogelijkheden, websites waarop de dna-codes van honderden levende wezens en ontelbare ziekten tot op de laatste genetische letter zijn terug te vinden, en postorderbedrijven zoals Biolegio waar je de bouwstenen van het leven met een paar muisklikken kunt bestellen. De trein was al op stoom; CRISPR kan zo instappen.

Middelwijk en Van der Steen leiden rond langs hun 'dna-synthesizers', stevige apparaten die dna-strengen in elke gewenste volgorde letter voor letter aan elkaar klikken. Zoals je op een gewone synthesizer muziek kunt spelen, zo speelt men hier de muziek van het leven, simpel gezegd door steeds andere chemicaliën 'aan' te schakelen. GCC TCC CCA AAG, is de bladmuziek die vandaag op de monitor staat.

De techniek gaat de laatste tijd snel, vindt ook Frans Brom. 'CRISPR-Cas maakt veranderingen mogelijk met een precisie die we niet hadden voorzien. Je kunt er genen tot op de letter nauwkeurig mee veranderen. Maar je kunt er ook hele genen mee overzetten. Dus ja, er komen een heleboel nieuwe vragen op ons af.'

Brom, ethicus en directeur van de Wetenschappelijke Raad voor het ­Regeringsbeleid (WRR), probeert nu al enige tijd de politiek daarvan te doordringen. Want terwijl de techniek sprongsgewijs vooruit schiet, is volstrekt onduidelijk wat CRISPR-Cas in juridisch opzicht eigenlijk ís. Is het 'genetische modificatie', die beladen onderzoekspoot die gaat over het transplanteren van dna van de ene soort naar de andere en die aan talloze regels is gebonden? Of is het eerder 'gewone' biotechnologie, gesleutel aan levensmoleculen waarvoor soepeler regels gelden?

'Onze manier van kijken is volledig gebaseerd op het onderscheid tussen die twee', zegt Brom. 'Daarbij hebben we sterk de neiging om te zeggen: voor genetische modificatie zijn we huiverig, en als het geen genetische modificatie is, kan het. Maar dat onderscheid is nu achterhaald, durf ik wel te zeggen.'

Je hebt weinig fantasie nodig om aan de horizon ook mogelijke keerzijden te zien: van nieuwe voedingsgewassen met onverwachte bijeffecten, tot kunstenaars, hobbyisten of ondernemende bedrijven die met de techniek aan het experimenteren slaan.

'En dat is natuurlijk niet het enige', benadrukt Brom. 'Denk ook aan hoe het moet met zaken als de markttoelating van producten, de etikettering van voedsel en de vraag wie hiervoor een vergunning zou moeten hebben. Dat zijn allemaal vragen die door deze technieken op scherp worden gesteld.'

Voor Kreike en veel van haar collega's is CRISPR-Cas vooral een droom die uitkomt: eindelijk een goedkope, makkelijke en precieze manier om te spelen met de schakelaars van het leven. Zoals de thuiscomputer het informatietijdperk op gang bracht, zo brengt CRISPR-Cas genetisch sleutelen binnen het bereik van de massa.

'We zijn echt in een nieuwe fase gekomen. Biotechnologie 2.0', zegt John van der Oost, de pionier uit Wageningen. 'Er is hier een aardverschuiving gaande', zegt Mulder.

En Kreike? Op de deur van haar 'labje' in de laboratoriumschool heeft iemand met plakband een fotokopie van de Yoda uit Star Wars gehangen: Much to learn, you still have.

'De techniek blijft. Die gaat gebruikt worden', zegt ze. 'Alleen al om die reden is het zo belangrijk om onze studenten er vertrouwd mee te maken en ze te leren hoe ze hier op een verantwoorde manier mee omgaan.'

Lekker thuis in de garage het leven herschrijven? Het kan, met een kit die je op internet koopt. Maar voor het echte werk heb je echte spullen nodig.