Onderzoekers knippen en plakken DNA en laten bacteriën het kopiëren

SAN FRANCISCO, NOVEMBER 1973 - Onderzoekers van Stanford University en de University of California in San Francisco (UCSF) hebben stukken DNA uit verschillende bronnen in een reageerbuis aan elkaar gezet en door bacteriën laten kopiëren. In de Proceedings of the National Academy of Sciences, het tijdschrift van de Amerikaanse academie van wetenschappen, beschrijven Stanley Cohen, Annie Chang, Herbert Boyer en Robert Helling hoe ze nieuwe ringetjes DNA bouwen. Die ringetjes blijven in bacteriën gewoon werken en dragen eigenschappen van beide ouders.

Bacteriën en hun ringetjes DNA

De darmbacterie Escherichia coli, kortweg E. coli, is de favoriete proefbacterie van de laboratoria. Ze bewaart het grootste deel van haar erfelijke informatie in één lange DNA-streng. Daarnaast heeft ze vaak plasmiden: kleine, losse ringetjes DNA die zichzelf kopiëren als de bacterie zich deelt. Op zo'n ring kan een gen staan dat de bacterie bestand maakt tegen een antibioticum, bijvoorbeeld tetracycline. Dat is handig voor een onderzoeker: bacteriën met de ring overleven een voedingsbodem met tetracycline, de rest gaat dood.

Waarom knippen en plakken zo lastig was

Wie een stuk DNA van een ander wezen door een bacterie wil laten kopiëren, moet het eerst losmaken en vastzetten aan een ring die zichzelf kan vermenigvuldigen. Het knippen gebeurde tot nu toe ruw, bijvoorbeeld door het DNA mechanisch te breken. Dat levert elke keer andere stukken op, en dat is lastig werken.

In het laboratorium van Boyer in San Francisco is een enzym gevonden dat het netter doet: EcoRI. Een enzym is een eiwit dat één bepaalde klus doet. Dit enzym knipt DNA alleen op een bepaalde volgorde van letters, en dus steeds op dezelfde plek. Het knipt de twee strengen van het DNA bovendien net niet op precies dezelfde plek door, maar iets verschoven. Elk uiteinde houdt daardoor een kort, los flapje over. Dat flapje past op het flapje van elk ander stuk DNA dat met hetzelfde enzym is geknipt. Zo kunnen stukken uit heel verschillende bronnen aan elkaar worden gezet.

Een ring openknippen en dichtmaken

Cohen werkt al jaren met pSC101, een plasmide met het gen voor tetracyclineresistentie. EcoRI knipt dit ringetje op maar één plek door. De ring is dan een open streng, maar kan zichzelf nog steeds kopiëren. De onderzoekers mengen hem met ander DNA dat met hetzelfde enzym is geknipt. De flapjes vinden elkaar, en een tweede enzym plakt de naden dicht. Het resultaat is weer een gesloten ring, nu met een stuk uit een andere bron erin.

Hoe ze weten dat het werkt

De nieuwe ringen gaan in E. coli. Daarna komen de bacteriën op een voedingsbodem met tetracycline. Alleen bacteriën met een ring die het resistentiegen bevat, overleven en groeien uit tot een kolonie. Elke kolonie bestaat uit kopieën van één bacterie, en dus ook van de ring met het nieuwe stuk DNA erin.

Het lukt ook met ringen van twee soorten: een plasmide met resistentie tegen tetracycline en een plasmide met resistentie tegen kanamycine, een ander antibioticum. De samengestelde ringen dragen volgens de onderzoekers eigenschappen en stukken DNA van allebei de ouders. Een plasmide kan dus uit stukken van verschillende plasmiden worden gebouwd. De volgende stap is DNA van andere soorten op deze manier te laten kopiëren.

De samenwerking begon vorig jaar op een congres op Hawaï, waar Cohen en Boyer 's avonds laat bij een broodje plannen maakten. De ringen reisden daarna heen en weer tussen de twee laboratoria: knippen bij Boyer in San Francisco, plakken en kweken bij Cohen in Stanford.

Teruggeblikt vanuit 2026

Kort na deze publicatie lukte het ook met DNA van andere soorten: de onderzoekers zetten een stuk plasmide van een Staphylococcus-bacterie en genen van de Afrikaanse klauwkikker in E. coli, waar ze werden gekopieerd. Het was niet het enige werk in die tijd. De Stanford-onderzoeker Paul Berg en collega's hadden in 1972 al DNA uit verschillende bronnen aan elkaar gezet; Berg kreeg in 1980 de Nobelprijs voor scheikunde. In 1975 kwamen onderzoekers bij elkaar in Asilomar en spraken ze af de riskantste experimenten tijdelijk niet te doen, tot er richtlijnen kwamen.

Stanford vroeg op 4 november 1974 octrooi aan op de methode van Cohen en Boyer. Het werd op 2 december 1980 verleend. Het eerste goedgekeurde medicijn dat met deze techniek werd gemaakt, was menselijk insuline van het bedrijf Genentech.

Sinds het werk van Cohen en Boyer kunnen onderzoekers bacteriën een door henzelf ontworpen stuk DNA laten kopiëren en er eiwitten van laten maken. Dat is ook de weg waarlangs een eiwit dat een AI heeft ontworpen, in een laboratorium wordt gemaakt en getest. De Nobelprijs voor scheikunde 2024 ging naar werk aan het ontwerpen en voorspellen van eiwitten met AI.