Levensechte labcellen

Voorstelling van de ontwikkeling van een synthetische cel (rechts) uit basiscomponenten (links).

Is leven van de grond af op te bouwen in het lab? Dat moet de komende tien jaar blijken, nu het Nederlandse onderzoeksconsortium Evolf aan de realisatie van de eerste synthetische cel ooit werkt.

Welke onderdelen zijn allemaal nodig om de zelfregulerende eigenschappen van levende cellen na te bootsen in het lab? Dat is de vraag waar het onderzoeksconsortium Evolf, bestaande uit 31 Nederlandse onderzoeksgroepen, zich de komende tien jaar over zal buigen. Het einddoel: om een celachtig object uit levenloze moleculen – lees ‘synthetische cel’– te bouwen met eigenschappen van levende systemen, zoals celdeling, replicatie en evolutie.

Binnen Evolf werken verschillende groepen onderzoekers elk aan individuele onderdelen die leven nabootsen, zoals homeostase, celdeling en celsignalering. Het is de bedoeling dat deze modules over uiterlijk tien jaar bij elkaar komen om een synthetische cel te vormen. ‘Grappig genoeg is er nog geen consensus over hoe de synthetische cel er precies uit moet komen te zien’, zegt biofysicus Liedewij Laan van de Technische Universiteit Delft. Zij gaat zich focussen op de integratie van alle modules. Omdat het project nog maar net in oktober 2024 van start is gegaan, liggen er nog wat vragen op tafel: Hoe groot moet de cel worden? Welk soort membraancompositie moet deze krijgen? Hoe moeten alle benodigde eiwitten tot expressie kunnen komen? ‘Dat vind ik het mooie aan het project. We bouwen aan iets waarvan we nog moeten ontdekken hoe het eruit zal zien’, zegt Laan. Omdat dit ook voor de modules zelf geldt, wil ze de modules het liefst zo snel mogelijk integreren, in plaats van ze langdurig los te optimaliseren. ‘Zodra je dingen samenvoegt, bots je tegen nieuwe problemen op. Dan moeten de modules toch weer aangepast worden.’

De voorloper van Evolf, het onderzoeksconsortium BaSyC, bouwde al verschillende onderdelen voor een synthetische cel, zoals een module voor ATP-homeostase en een voor de laatste fase van celdeling. Ook lieten ze een klein synthetisch chromosoom zichzelf kopiëren, en realiseerden ze de aanmaak van fosfolipiden voor het vormen van een celmembraan. Al is het niet zo dat deze onderdelen nu rechtstreeks samen te voegen zijn. ‘De modules zijn niet als losse puzzelstukjes in elkaar te klikken’, legt Laan uit. ‘Zo werkt het leven niet. De ene module kan bijvoorbeeld met een andere gaan concurreren voor energie. Ik zie een cel daarom eerder als organisatie dan als puzzel: elk teamlid heeft zijn eigen rol, maar is ook afhankelijk van interactie met andere leden.’

Om de modules bij elkaar te brengen willen de onderzoekers gebruik maken van gestuurde labevolutie en kunstmatige intelligentie (AI). Het idee is om grote hoeveelheden synthetische cellen – ook wel vetblaasjes – uit verschillende begincondities te maken en hier steeds lichte wijzigingen in aan te brengen, soortgelijk aan mutaties tijdens evolutie. Met machinelearningalgoritmes willen de onderzoekers vervolgens tussen alle blaasjes naar gewenste fenotypes speuren. ‘Voor celdeling weten we bijvoorbeeld waar we naar zoeken: een rond blaasje dat uitrekt en in tweeën deelt’, vertelt biofysicus Kristin Grußmayer van de Technische Universiteit Delft. Zij ontwikkelt samen met haar collega’s hogeresolutiemicroscopietechnieken die ze met AI wil combineren om de fenotypes correct te identificeren (zie kader ‘Evolutie door AI’). ‘We willen een cyclus creëren waarin evolutie versneld onder de microscoop afspeelt’, legt Grußmayer uit. ‘Hierbij is de bedoeling dat de computer ons steeds nieuwe begincondities geeft om verbeterde blaasjes te maken, om zo stapje voor stapje naar gewenste eigenschappen toe te bewegen.’

Een concrete module waar gestuurde labevolutie aan moet bijdragen is de ontwikkeling van een synthetisch genoom. Microbioloog Nico Claassens van de Wageningen Universiteit ontwikkelt met zijn collega’s synthetische chromosomen die zichzelf efficiënt kunnen kopiëren (zie kader ‘Synthetisch genoom’). Daarbij laten ze zich inspireren door bacteriën en archaea, die met heel weinig genen weten te overleven. ‘Bepalen welke base in de genetische code wat uitvoert is immens complex’, vertelt Claassens. ‘Wij proberen daarom de belangrijkste ontwerpprincipes van een genoom te ontrafelen en daarbij te achterhalen welke stukken we kunnen negeren. Als we alles proberen te begrijpen, zijn we over vijftig jaar nog bezig.’

Om de cruciale genen voor synthetisch leven te achterhalen, onderzoekt Claassens de invloed van wijzigingen in stukjes synthetisch genoom op de groei van de bacterie E. coli . ‘Hierbij vervangen we een stukje natuurlijk chromosoom in E. coli , dat bijvoorbeeld codeert voor de aanmaak van energie, door een stukje synthetisch chromosoom dat wij ontwikkeld hebben om hetzelfde te doen’, legt Claassens uit. ‘Als de bacteriën vervolgens niet meer goed groeien – omdat ons synthetische stukje dus niet goed werkt – kunnen we de hoeveelheid mutaties in het synthetisch chromosoom verhogen. Zo creëren we veel meer variatie in het synthetische systeem en kunnen we betere varianten selecteren. Door dat proces te automatiseren, sturen we evolutie in het lab.’

‘We bouwen aan iets waarvan we nog moeten ontdekken hoe het eruit zal zien’

Hoewel ook in andere landen aan synthetische cellen gebouwd wordt, heeft volgens Claassens Evolf het voordeel dat alle betrokken onderzoekers in het relatief kleine Nederland dicht bij elkaar zitten. Claassens: ‘In tegenstelling tot soortgelijke consortia in grote landen, zoals bijvoorbeeld de Verenigde Staten, hebben we volgens mij in Nederland precies die kritische dichtheid om grote stappen te maken in het bouwen van een synthetische cel.’ Dat laat zich zien in het feit dat het voltallige onderzoeksconsortium eens per half jaar samenkomt om de geboekte vooruitgang met elkaar te bespreken. ‘Elke bijeenkomst zullen we weer moeten vaststellen of we allemaal nog dezelfde doelen najagen’, vertelt Laan. ‘Via enquêtes, meetings en belletjes vragen we voortdurend informatie terug van alle betrokkenen. Op basis daarvan maken we beslissingen over de volgende stap.’

Op de vraag wat Laan over tien jaar als eindresultaat hoopt te kunnen presenteren aan de wereld is ze duidelijk. ‘Ik zou het geweldig vinden als we iets kunnen maken dat zelfstandig twee of drie volledige celcycli kan doorlopen’, zegt ze. ‘Waarschijnlijk zal deze zelfgebouwde cel al piepend en knarsend zijn werk gaan doen. Om onder de microscoop een synthetische cel te zien die zichzelf voor het eerst uit levenloze bouwsteentjes opbouwt, dan weer afbreekt, en dan weer helemaal opbouwt, lijkt mij fantastisch.’

Ook Grußmayer wil een synthetische cel realiseren die zichzelf kan repliceren. ‘Ik hoop dat het ons lukt om met AI de evolutiecyclus beter te doorgronden en nieuwe fundamentele inzichten te krijgen in hoe de cel dna repliceert’, zegt ze. Claassens hoopt daarnaast de ontwerpregels van cellen veel beter te leren begrijpen. Veel van zijn onderzoek richt zich op het ombouwen van bacteriën tot fabriekjes die waardevolle moleculen en eiwitten aanmaken voor voeding of medicijnen. ‘Hoewel we chromosomen vandaag de dag al heel goed kunnen ‘lezen’, snappen we ze eigenlijk nog steeds niet heel goed’, zegt hij. ‘Met nieuwe kennis over de ontwerpregels van het genoom krijgen we hopelijk ook meer inzicht in hoe we bacteriën zo efficiënt mogelijk kunnen programmeren. Maar bovenal denk ik dat we vooral veel gaan leren over de basis van het leven.’

Om evolutie in het lab na te bootsen, werkt Kristin Grußmayer met collega’s aan AI-tools die het effect van mutaties geautomatiseerd en versneld moeten onderzoeken. De onderzoekers willen grote hoeveelheden vetblaasjes maken uit verschillende beginmaterialen en bekijken welke fenotypes allemaal ontstaan. Hiervoor ontwerpen ze microfluïdische chips, kleine apparaatjes met ontwerpbare kanaaltjes ter grootte van micrometers waar vloeistoffen doorheen kunnen stromen. De chips hebben de belofte om grote aantallen vetblaasjes te kunnen sorteren en zichtbaar te maken onder de microscoop, waardoor snel grote hoeveelheden gegevens te verzamelen zijn. Vervolgens moeten machinelearningalgoritmes tussen alle vetblaasjes zoeken naar gewenste fenotypes en eigenschappen. ‘Dat is niet omdat het herkennen van een fenotype lastig is, maar omdat AI heel snel en automatisch te werk kan gaan’, vertelt Grußmayer. Door steeds te selecteren op de meest belovende fenotypes en de bijbehorende beginparameters – bijvoorbeeld de zoutconcentratie, gekozen eiwitten of buffervloeistof – te variëren, hopen de onderzoekers te achterhalen welke condities tot het gezochte fenotype leiden: een versnelde vorm van evolutie. Momenteel focussen de onderzoekers nog op het ontwerp van de microfluïdische chip, die grote hoeveelheden blaasjes moet kunnen sorteren. ‘Daarbij laten we ons inspireren door voorgaande chips die cellen sorteren. Wij werken nu aan een chip waarop de verschillende modules van Evolf te integreren zijn, en de beginparameters eenvoudig aan te passen.’

Nico Claassens bouwt met collega’s aan een synthetisch genoom waarmee de synthetische cel eigenhandig een celcyclus kan doorlopen. Hiervoor speuren de onderzoekers naar de minimale set aan genen die een vetblaasje nodig heeft om te delen. Dat houdt in dat het genoom zichzelf moet kunnen kopiëren. ‘We zoeken naar de juiste coderende regio’s in stapjes, door te kijken of individuele setjes van genen hun functie ook daadwerkelijk uitvoeren in een vetblaasje’, vertelt Claassens. ‘Denk hierbij aan genen voor de aanmaak van ATP of het kopiëren van een chromosoom.’ Hij schat in dat het synthetische genoom uiteindelijk ongeveer een paar honderdduizend basen lang gaat zijn en tussen de tweehonderd en vierhonderd genen zal vereisen. ‘Het bouwen van dna is tegenwoordig vrij routineus’, vult hij aan. ‘Maar de vraag is wat we er minimaal op moeten schrijven zodat het functioneel wordt.’ Hierbij ziet Claassens ribosomen als een van de grootste uitdagingen. Op dit punt in het project voegen de onderzoekers nog gepurificeerde ribosomen uit E. coli -bacteriën toe aan de vetblaasjes. Door hier rna-polymerase – de kopieermachine van dna naar rna – en andere bouwstenen, zoals nucleobasen en aminozuren, aan toe te voegen is het de onderzoekers al gelukt om kleine stukjes chromosoom met een tiental genen in het vetblaasje te laten ontstaan. ‘De uitdaging is nu om het synthetische genoom ook voor de ribosomen zelf te laten coderen zodat deze zichzelf kunnen maken, net als hoe het in het echte leven werkt. Dat is een flinke puzzel, omdat ribosomen uit een tiental eiwitten bestaan.’