Wat als tomaten dieper wortelen, zodat ze in droge gebieden kunnen groeien? Kunnen we dan de groeiende wereldbevolking beter voeden? De CRISPR-Cas techniek die deze aanpassingen mogelijk zou kunnen maken is veel nauwkeuriger dan de klassieke veredeling en de aanpassingen zijn vergelijkbaar met spontane natuurlijke mutaties. Maar is deze techniek, waarvan belangrijke principes zijn ontdekt door Wageningse wetenschappers, wel veilig? Wie profiteert ervan? Waar zie jij kansen voor deze techniek?
‘Het CRISPR-systeem draagt een grote belofte in zich om mee te helpen de wereld te voeden. We kunnen er namelijk planten mee verbeteren. En dat gaat veel nauwkeuriger dan bij klassieke veredeling, zodat er slechts minieme veranderingen nodig zijn’, vertelt John van der Oost. De Wageningse hoogleraar Microbiologie heeft een belangrijke bijdrage geleverd aan de ontrafeling van het mechanisme van het CRISPR-Cas systeem, dat bacteriën in staat stelt om virussen onschadelijk te maken (zie kader). CRISPR-Cas kan in de biotechnologie worden gebruikt om de eigenschappen van voedselgewassen te verbeteren, en voor de productie van biobrandstoffen en medicijnen door micro-organismen. Bovendien wordt het benut in de geneeskunde, om mensen met sommige genetische ziektes beter te maken.
Wat is CRISPR-Cas?
CRISPR-Cas is een antivirussysteem van bacteriën. Veel bacteriesoorten hebben kleine stukjes repeterend DNA in hun chromosoom, gescheiden door variabele stukjes. Tezamen vormen deze de zogenoemde CRISPRs. Naast deze CRISPRs liggen Cas-eiwitten, die onder andere verantwoordelijk zijn voor het opzoeken en knippen van bepaalde plekken in het DNA.
Zo’n tien jaar geleden ontdekten John van der Oost en zijn collega’s dat dit een uniek afweersysteem van bacteriën is tegen binnendringende virussen. De bacterie neemt wat genetisch materiaal van een binnendringend virus over in zijn eigen DNA. Kopieën van dit CRISPR-DNA (het zogenaamde CRISPR-RNA) vormen complexen met Cas-eiwitten die patrouilleren door de cel. Zodra het virus nog een keer binnendringt, herkent het CRISPR-RNA de belager. Het Cas-enzym knipt het DNA van de virus vervolgens in stukjes, waardoor de indringer wordt opgeruimd.
Het Wageningse onderzoek liet ook zien dat je CRISPR-Cas kunt gebruiken om op een gewenste plek in het DNA van virussen te knippen. Later bleek dat dit systeem ook in bacteriën, planten, dieren – en dus ook mensen – kan worden ingebracht om een knip op een gewenste plek in het DNA aan te brengen. Een stukje CRISPR-RNA dat samen met het Cas-enzym wordt ingebracht, dient als reisleider om de gewenste plek te vinden.
De helft van de bacteriesoorten hebben een CRISPR-Cas systeem. Het is de afgelopen jaren gebleken dat er heel veel CRISPR-Cas varianten bestaan. Deze systemen kunnen onderling sterk verschillen, bijvoorbeeld voor wat betreft het werkingsmechanisme en de nauwkeurigheid.
Watertomaten
Wat de CRISPR-Cas techniek kan betekenen in gewassen, illustreert Van der Oost aan de hand van een tomaat. De tomaat was ooit een onbeduidende kleine vrucht in het Zuid-Amerikaanse oerwoud. Al honderden jaren geleden zijn mensen verschillende varianten gaan kruisen, de afgelopen zestig jaar zelfs door de zaadjes van de tomaat bloot te stellen aan chemicaliën en straling, de zogenaamde ‘klassieke mutagenese’. Daarbij werd vooral geselecteerd op grote en snel groeiende tomaten. De tomaten die nu bij de groenteboer en in de supermarkt liggen, staan dan ook ver van de natuurlijke variant af.
‘In tomaten is veel veranderd op DNA-niveau, zodat ook gunstige eigenschappen verloren zijn gegaan, zegt Van der Oost. Er is bij de klassieke veredeling bijvoorbeeld niet gelet op smaak. Veel mensen zullen zich nog de Hollandse smakeloze watertomaten herinneren van twintig jaar terug. ‘De oude veredeling is te vergelijken met schieten in het donker, waarbij je toevallig genen aan- of uitschakelt. Naast de smaak hebben bij tomaten ook de voedingswaarde en resistentie tegen bacteriën en schimmels daarvan te lijden gehad.’
Foto van een cruciaal experiment uit 2008
Minieme mutaties
Vorig jaar is in Wageningen het DNA vergeleken van een aantal veredelde tomaten en van de wilde oerwoudtomaat. Van der Oost: ‘Dan zie je dat 1 tot 2 procent van het DNA helemaal anders is. Het totale genoom bestaat uit 1 miljard basenparen, dat zijn de bouwstenen van het DNA. En nu zijn er door jarenlange veredeling en mutagenese in onze gekweekte tomaten 10 tot 20 miljoen basenparen veranderd.’ Met CRISPR-Cas hebben wetenschappers onlangs heel gericht 6 genen uitschakelen in de wilde tomaat, om te zorgen dat die groter en sneller groeit maar wel smaak, voedingswaarde en resistentie behoudt, legt Van der Oost uit. ‘Dan worden er slechts 30 basenparen veranderd. Zulke minieme veranderingen zijn vergelijkbaar met genetische mutaties die spontaan optreden in de natuur.’
“ De minimale veranderingen die we met CRISPR-Cas kunnen bewerkstelligen, zijn vergelijkbaar met genetische mutaties die spontaan optreden in de natuur. Met de techniek kunnen we de productie van voedselgewassen sterk verbeteren. De grote nauwkeurigheid van de CRISPR-Cas methode betekent dat de smaak, voedingswaarde en weerbaarheid tegen ziektes niet worden aangetast.”
John van der Oost, hoogleraar Microbiologie
Deel deze quote:
Verbeteringen
Inmiddels is er zoveel kennis over CRISPR-Cas, dat de techniek heel snel en nauwkeurig kan worden toegepast. ‘De eerste CRISPR-systemen waarmee we onderzoek deden, brachten de verandering soms net voor de gewenste plek aan. Inmiddels hebben we in de natuur bij andere bacteriën CRISPR-enzymen gevonden die nog nauwkeuriger zijn.’ Met een bedrijfje zocht de microbioloog naar bacteriën die stengels uit landbouwafval kunnen afbreken. Die vonden ze dicht bij huis, op een composthoop in Ede. Deze bacterie bleek ook over een stabiel CRISPR-systeem te beschikken. ‘Er bestaan tienduizenden varianten met interessante eigenschappen en de zoektocht is in volle gang. Zo dragen we met ons onderzoek bij aan de verbetering van de nauwkeurigheid, en dus aan de veiligheid’, zegt Van der Oost.
Europese zorgen
In Europa is er veel scepsis en zorg rondom CRISPR-Cas. In 2018 besloot het Europees Hof van Justitie om de CRISPR-Cas techniek onder genetische modificatie te scharen. Dat betekent dat er voor gebruik een langdurig proces van veiligheidstesten moet worden uitgevoerd. Dit in tegenstelling tot landen als de VS, Canada, China, Japan en sinds kort ook Rusland. ‘In deze landen wordt het aanbrengen van kleine veranderingen met CRISPR niet gezien als genetische modificatie, omdat zulke kleine veranderingen in de natuur ook heel vaak optreden’, licht Van der Oost toe. ‘De EU is het braafste jongetje van de klas, en wat mij betreft ook het domste. Voor de kleinere zaadveredelaars en biotechbedrijfjes in Europese landen is dat killing omdat ze wereldwijd hun concurrentiepositie verliezen.’
Afweging
Van der Oost snapt de scepsis van mensen, maar benadrukt de verschillen ten opzichte van traditionele veredeling. ‘Al onze groenten en fruit, ook bij de biologische boeren, zijn zo ver aangepast dat ze niet meer in de natuur terug te vinden zijn. Terwijl de kleine veranderingen met CRISPR-Cas zo dicht bij het natuurlijke proces liggen dat ze niet verschillen van wat er in de natuur gebeurt in planten.’
Conferentie over CRISPR-Cas
Wil je graag meepraten? Kom dan naar ‘CRISPRcon. Conversations on science, society and the future of gene editing’. Op deze conferentie over CRISPR-Cas voeren we een open dialoog waarin we standpunten, visies en zorgen uitwisselen. CRISPRcon vindt plaats op 20 en 21 juni 2019 in Wageningen. Meer informatie en aanmelden.
Om het debat tussen voor- en tegenstanders verder te helpen, pleit het Rathenau Instituut voor een integrale afweging tussen het maatschappelijke nut, duurzaamheid en de ethische aspecten van CRISPR-Cas. ‘Het is jammer als voor- en tegenstanders de hakken in het zand zetten en zodoende de innovatieve ontwikkelingen blokkeren. Het is een goed idee om te bekijken of de techniek veilig en aantoonbaar nuttig is voor de samenleving en zo te kijken of we dit vastgelopen debat vlot kunnen trekken’, reageert Van der Oost.
Klimaatverandering
CRISPR-Cas gebruiken om voedselgewassen te verbeteren kan veel opleveren, meent Van der Oost. De gewassen kunnen weer veel meer op de wilde varianten gaan lijken, smaakvoller en voedzamer worden en weerbaarder tegen ziektes en plagen. Maar er is nog veel meer mogelijk. ‘Stel dat in een gebied droogte heerst door klimaatverandering. Als we met een gerichte en minieme aanpassing een tomaat dieper kunnen laten wortelen, kunnen er toch tomaten groeien. We kunnen hele goede dingen doen met CRISPR-Cas, waar boeren en consumenten in Afrika en Azië ook van kunnen profiteren.’
