Module 5A - Wetenschappelijke basis van de biotechnologie

Question 1

Wat is biotechnologie

Answer 1

• Biotechnologie is technologie gebaseerd op biologie (dieren, planten, bacteriën, gisten, …) voor de ontwikkeling van medicijnen, voedsel of nieuwe stoffen. Het slaat dus op alle technieken waarbij organismen, of delen ervan, worden gebruikt om producten te vervaardigen voor de mens.

Question 2

Onderverdeling biotechnologie gebaseerd op aard organisme of levend wezen

Answer 2

1. Klassieke biotechnologie: Traditionele technieken om dieren en planten te kweken (bv. kruising en selectie) en het gebruik van natuurlijke bacteriën, gisten en schimmels voor de productie van bijvoorbeeld brood, bier, wijn en kaas.
   
   • Het gaat hier steeds om organismen die op een natuurlijke wijze zijn ontstaan.
2. Moderne biotechnologie: De eigenschappen van bacteriën, schimmels, planten of dieren worden aangepast door rechtstreeks in te grijpen op het DNA, de code van alle erfelijke informatie. We spreken dan ook van genetische modificatie, resulterend in genetisch gewijzigde organismes (GGO’s).

Question 3

Onderverdeling op basis van het toepassingsgebied

Answer 3

1. Rode: Toepassing in de geneeskunde, bv. COVID-19 vaccin, productie van insuline voor diabetici
2. Groene: Toepassing in de landbouw, gericht op de genetische modificatie van planten, bv. planten die resistent zijn tegen onkruidverdelgers, tegen droogte, tegen bepaalde schadelijke insecten;
3. Witte: Toepassing in de industrie, bv. enzymen om bio-ethanol aan te maken, bacteriën die biodegradeerbare kunststoffen aanmaken, enzymen in waspoeder dat witter dan wit wast.

Question 4

Biotechnologie in de landbouw

Answer 4

Bevolking stijgt en hoeveelheid grond voor landbouw neemt af, geografisch probleem = enorm belang voor biotechnologie.

Question 5

Waarop slaat klassieke biotechnologie voor gewasproductie?

Answer 5

• Selectie en veredeling van gewassen (planten): kruising eigenschappen van verschillende planten → 2 verschillende planten in 1 en zo beste combinaties selecteren en verder mee werken: opnieuw kruisen totdat je de gewenste eigenschap hebt geselecteerd.
  
  • Bv. graan: veel grotere graankorrels.
• Dit veredelingsproces duurt heel lang, maar werkt goed en één plantensoort kan zo aanleiding geven tot totaal verschillende variëteiten:
  
  • Bv. broccoli, bloemkool, boerenkool en koolrabi die alle de wilde mosterd als voorouder hebben.

Question 6

Veredeling bij dieren

Answer 6

• Vleeskippen die bijna geen eieren leggen en bijna geen vlees hebben. Dit vinden we eveneens terug bij melkkoeien en vleesvee, en eveneens bij gezelschapsdieren – denk bv. aan de enorme variatie aan verschillende rassen bij honden.

Question 7

Op welke basis gebeurt de selectie bij klassieke veredeling?

Answer 7

• Selectie op basis van uiterlijke kenmerken
• Op basis van het fenotype en dan verder kruisen. Selectie op het uiterlijk is eigenlijk onrechtstreeks selectie op het DNA dat in wezen de kenmerken van planten en dieren (en mensen) bepaalt (men noemt dit het “genotype”). In plaats van op uiterlijke kenmerken of het fenotype te selecteren, kan men dus ook rechtstreeks selecteren op het DNA.

Question 8

Wat is DNA?

Answer 8

• = drager erfelijk materiaal van een organisme: 2 strengen opgerold DNA waarop de genen aan elkaar zitten:
• Genen: drager van de genetische informatie die vervat zijn in DNA in een specifieke volgorde.
• De informatie in DNA → aanmaak specifieke eiwitten die een bepaalde functie in het organisme vervullen = DNA overschrijven in RNA (transcriptie) en dit RNA maakt dab het corresponderende eiwit aan dat in het organisme kan circuleren:*

Question 9

Wat zijn mutaties?

Answer 9

• Dit is als een base verandert in de DNA-sequentie: natuurlijk proces dat bij elk individu plaatsvindt op stochastische wijze, en de wijzigingen kunnen dan doorgegeven worden aan latere afstammelingen.
  
  • Aanleiding tot ander eiwit, waardoor de oorspronkelijke functie in het organisme eventueel niet meer uitgevoerd kan worden. Wijzigingen in genen door natuurlijke mutaties hebben ertoe geleid dat we allemaal andere eigenschappen hebben, bv. blauwe of bruine ogen.
  • Kunnen ook ziektes veroorzaken: bv. diabetes.

Question 10

Hoe testen we mutaties bij dieren en planten?

Answer 10

• Nagaan of een bepaalde wijziging met een gekend gunstig effect ook uiterlijk in het organisme aanwezig is (d.w.z. tot expressie komt), waarna men al dan niet voor deze wijziging verder kan selecteren door hiermee al dan niet verder te kruisen → rechtstreeks op het genotype selecteren ipv fenotype.
  
  • Dit is nog steeds selectie en niet modificatie.

Question 11

Mutagenese

Answer 11

• Technologische wijze mutaties introduceren om het proces te versnellen via bv. radioactieve straling of chemische stoffen.
  
  • Voor het versnellen van natuurlijk mutatieproces maar blijft wel random en niet heel snel.
  • Resultaten zijn niet volgens de huidige wetgeving genetisch gewijzigd organisme (GGO).

Question 12

Wat is genetische modificatie?

Answer 12

• Doelgericht wijzigen van het genetisch materiaal van een organisme door het inbrengen van DNA van een ander organisme.
• Deze manipulatie van het DNA gebeurt door “knippen en plakken”, en het resultaat is een genetisch gewijzigd organisme (GGO) - of in het engels “genetically modified organism (GMO)”.

Question 13

Genetische modificatie van bacteriën en gisten

Answer 13

• Vrij eenvoudig: in de jaren ‘60 ontdekte men dat bacteriën enzymen hebben die een bepaalde sequentie in DNA kunnen herkennen en vervolgens dat DNA op die plaats kunnen knippen. Andere enzymen kunnen DNA dan weer aan elkaar lijmen.
  
  • Zo op een welbepaalde plaats een gen van een ander organisme aanbrengen.
  • Bv. insuline aanmaken: niet door chemische synthese maar door specifiek daarvoor gewijzigde bacteriën of gisten aangemaakt.

Question 14

Voorbeelden gebruik Genetische modificatie van bacteriën en gisten

Answer 14

• Genetische modifcatie voor betere microben te produceren: gisten voor bier, wijn, chocolade,…
• Enkele van de gisten die op natuurlijke wijze verbeterd werden, worden nu reeds gebruikt voor de commerciële productie van bier. De genetisch gewijzigde varianten blijven echter voorlopig uitsluitend gebruikt voor onderzoek.

Question 15

B. Genetische modificatie van planten: voorbeeld gebruik?

Answer 15

• Bv. insectresistent en herbicidietolerant te creëren: bv. Monsanto (deel Bayer): dat onkruidverdelger verkoopt en tegelijk de genetisch gemodificeerde planten die hieraan tolerant zijn vermarkt.

Question 16

Hoe werkt de genetische modificatie van planten?

Answer 16

• Hierbij maakt men gebruik van bacteriën: Bacteriën gebruiken voor de uitwisseling van DNA met andere bacteriën kleine ringvormige structuren van DNA, plasmiden genoemd.
  
  • Plasmiden kunnen worden doorgegeven en er is een specifieke bacterie die een plasmide kan inbrengen in een plant waarna het DNA van het plasmide wordt ingebouwd in de chromosomen van de plant.
• Indien men nu een gen dat een plant resistent maakt voor een onkruidverdelger inbrengt in dergelijk plasmide, en vervolgens een plant hiermee infecteert, kan men dus die plant resistent maken tegen dat herbicide.

Question 17

Wat is een nuttige eigenschap van planten voor het genetisch modificeren?

Answer 17

• Planten hebben de eigenschap dat uit één cel een volledig nieuwe plant kan groeien. Wanneer men dus één cel genetisch kan wijzigen, kan men een volledig genetisch gewijzigde plant laten groeien.
• Bv. GO-maïsvariëteit ontwikkeld die een resistentiegen bevat tegen een welbepaalde rups die de maïs aantastte. Het duurzame effect hiervan is dat hierdoor tot 82% minder insecticide gebruikt moet worden bij de teelt.

Question 18

Komen GGO-planten veel voor?

Answer 18

• Ja, vooral voor consumptie bij de mens: bv. gouden rijst om het vitamine A-tekort bij de bevolking aan te pakken.
  
  • Men zou het ook via kruising en selectie hebben kunnen uitvoeren, maar had veel langer geduurd.
    *

Question 19

Is het mogelijk om GGO planten van natuurlijke planten onderscheiden?

Answer 19

• Bemerk dat men bij deze GGO-technieken steeds het plasmide kan terugvinden dat gebruikt is voor het inbrengen van het vreemde DNA in de plant. Hierdoor kan men via een analyse een genetisch gemodificeerde plant dan ook steeds herkennen!

Question 20

Genetische modificatie van dieren

Answer 20

• Zo kan men met behulp een extra gen inbrengen in het DNA van een dier. Een pas bevruchte eicel (= zygote) bevat twee kernen (deze van de eicel en deze van de zaadcel) en dus in dat stadium DNA injecteren in de mannelijke kern en bij de versmelting wordt dat ingebrachte vreemde DNA ingebouwd in de chromosomen van de bevruchte eicel of zygote die vervolgens uitgroeit tot een organisme met de eigenschap van het toegevoegde gen.

Question 21

Voorbeelden: genetische modificatie van dieren?

Answer 21

• Frankensteinzalm: extra groeihormoongen en antivriesgen → groeit heel het jaar door en veel groter.
  
  • Het is een van de weinige genetisch gemodificeerde dieren die toegelaten zijn in de voedselketen in VSA. Europa laat geen genetisch gemodificeerde dieren in de voedselketen toe.
• Stier Herman: extra gen voor productie menselijk lactoferrine, een ontstekingsremmend eiwit dat natuurlijk voorkomt in moedermelk.
  
  • Werkte in de praktijk niet zo heel goed.
• Geiten: spinrag aan te maken in hun melk = heel sterke stof die bijvoorbeeld in kogelvrije vesten gebruikt wordt. Het is een alternatief voor het kweken van spinnen, die in gevangenschap mekaar aanvallen.

Question 22

Wat is gene editing

Answer 22

• Zeer recente techniek om wijzingen te maken in het DNA: CRISPR-CAS-methode: gebaseerd op natuurlijk verdedigingsmechanisme dat bacteriën gebruiken in hun afweer tegen virussen.
  
  • Wanneer een virus een bacterie infecteert, gaat dat virus zijn DNA inbrengen in die bacterie. Als de bacterie de aanval overleeft, kan ze stukjes DNA van het virus in zijn eigen DNA opslaan (dit mechanisme noemt men CRISPR), waarmee de bacterie dan RNA kan aanmaken dat complementair is met de sequentie van het DNA van het virus en dit laatste dus vanaf dat moment kan herkennen.
  • Bij een latere tweede aanval van datzelfde virus gaat dit RNA de DNA-sequentie van het virus onmiddellijk herkennen en brengt het het CAS9-enzym naar het DNA van het virus toe; dit CAS9-enzym is in staat om zoals een schaar het binnengedrongen virus-DNA in stukken te knippen, waardoor het virus bij zijn nieuw binnendringen in de bacterie dus meteen uitgeschakeld wordt.

Question 23

CRISPR-CAS-techniek

Answer 23

• Gaat bacteriën als natuurlijk afweermechanisme gebruiken, ook in andere organismen zoals planten en dieren gebruikt zou kunnen worden om een specifiek stukje DNA te herkennen en weg te knippen en op die manier dus een gen te veranderen.
  
  • Zo kan je een zeer specifiek stuk DNA wegknippen om het specifiek gen te inactiveren.
• Daarna ook ander, specifiek stuk DNA van het organisme zelf in te brengen, zodat een niet-gewenste (bv. defecte) variant van een gen door een gewenste variant kan vervangen worden.
  
  • Zo kan men bijvoorbeeld een foutief gen voor insuline vervangen door een correct gen dat een werkzaam insuline maakt. Nadat de techniek ook effectief gerealiseerd werd kregen Doudna en Charpentier hiervoor in 2020 de Nobelprijs voor Chemie

Question 24

Waarvoor kunnen we CRISPR gebruiken?

Answer 24

• Toedienen in de kern van elke cel, inclusief stamcellen die tot volledige organen uitgroeien of zelfs in bevruchte eicellen (zygotes) die uitgroeien tot een volledig nieuw organisme
  
  • Zo planten en dieren genereren met een gewenst kenmerk: CRISPR-CAS kan dus gebruikt worden om heel specifiek een gen te knippen en uit te schakelen, of om een deel van het DNA te vervangen door een nieuw gewenst gen.
  • Complexe ziekten worden echter vaak veroorzaakt door meerdere genen; uiteindelijk moet het met CRISPR-CAS ook mogelijk zijn om meerdere foutieve genen op te lossen.

Question 25

Wat is NBT?

Answer 25

• New Breeding technologies = overkoepelende term boven gene editing:
  
  • Laat toe om doelgerichte wijzigingen in het DNA van een organisme aan te brengen zonder DNA uit andere organismen in te bouwen.
• De wijzigingen gebeuren heel precies en zijn in se niet te onderscheiden van natuurlijke mechanismen: dergelijke wijziging had ook op natuurlijk wijze (bv. via natuurlijke mutatie of via kruising) kunnen gebeuren, zij het dat het dan veel meer tijd vraagt.
  
  • Via CRISPR draagt het geen vreemd DNA, waardoor het niet kan onderscheiden worden van een organisme van dezelfde soort waarbij de mutatie op natuurlijke wijze voorkomt.

Question 26

Voordelen gene editing

Answer 26

• Heel efficiënt, is makkelijker dan genetische modificatie en kent ondertussen heel veel toepassingen bij bacteriën, gisten, planten, dieren en zelfs bij de mens. Het aantal octrooien rond CRISPR-CAS explodeert dan ook.

Question 27

Voorbeelden gene editing planten

Answer 27

• het verhogen van de resistentie van Cavendish-bananen (de banaanvariëteit die wij allen eten) tegen een specifieke schimmel die het voortbestaan van deze variëteit bedreigt;
• het verhogen van de resistentie van rijst tegen rijstschimmel;
• het resistent maken van planten tegen bacterievuur, of van maïs tegen droogte;
• het maken van glutenarme variëteiten van tarwe.

Question 28

Voorbeelden gene editing dieren

Answer 28

• runderen waarbij het prion-gen, verantwoordelijk voor de dollekoeienziekte, uitgeschakeld wordt. Prionen van koeien kunnen immers de dodelijke ziekte van Creutzfeld-Jacob bij mensen veroorzaken.
• bij Beagle-honden heeft men het foutieve gen voor de ziekte van Duchenne hersteld waardoor deze ziekte vermeden wordt. Deze ziekte komt ook voor bij de mens, en dit wordt dan ook beschouwd als een model voor een gelijkaardige therapie bij de mens.

Question 29

Gene-editing bij mensen

Answer 29

Belangrijk onderscheid:

1. Therapeutische toepassingen: ziektetoestand bij de persoon zelf op te lossen:
   
   • Immuuntherapie: waar de natuurlijke afweercellen van een persoon met kanker aangepast worden om diens specifieke kankercellen aan te vallen → mensen met bestaande kanker gaan die cellen niet doorgeven = techniek niet overdraagbaar
2. Reproductieve toepassingen: waarbij het gewijzigde DNA ook doorgegeven wordt aan de volgende generatie.
   
   • Ethisch zeer moeilijk: Jianhu He: embryos om ze minder gevoelig te maken aan HIV: veel controverse!

Question 30

Verschillende technieken van genen aanpassen?

Answer 30

1. Genetische selectie en veredeling is het selecteren voor natuurlijk voorkomende varianten.
2. Genetische modificatie is het aanbrengen van wijzigingen in het DNA door het inbrengen van vreemd DNA (d.w.z. DNA van een ander organisme).
3. Gene editing is het zeer gericht aanbrengen van wijzigingen in het DNA zonder hiervoor DNA van een ander organisme in te brengen.