Tag Archives: gemanipuleerd

13243538625_7e2fc9a907

De toekomstige schoonmakers van ons riool: genetisch gemodificeerde bacteriën

Onder normale omstandigheden kan de natuur zelf stoffen die normaal gesproken niet of veel minder in de natuur voorkomen (xenobiotica) afbreken. Maar door de grote ophopingen van gifstoffen door grootschalige vervuiling kan de natuur dit probleem niet meer zelf oplossen. Het onvermijdelijke gevolg is dat steeds meer xenobiotica zoals zware metalen in het water belanden. Deze komen vervolgens weer terecht in de voedselketens, waardoor we deze giffen binnenkrijgen. In kleine hoeveelheden kunnen zware metalen gunstige effecten hebben, maar in grotere hoeveelheden zijn ze zonder uitzondering schadelijk. Bij mensen kan dit bijvoorbeeld voor hersenbeschadiging, leverfalen, kanker, auto-imuunziektes en zelfs de dood zorgen.

Bioremediatie als schoonmaakmiddel
Door de eeuwen heen heeft de mens verschillende manieren gevonden om schadelijke stoffen af te breken. Bioremediatie is één van de succesvolste methoden. Hierbij worden verontreinigde gebieden hersteld met behulp van levende organismen die de xenobiotica afbreken. Dat gebeurt door middel van biodegradatie, waarbij bacteriën, schimmels of planten via natuurlijke reacties stoffen afbreken tot minder schadelijke stoffen.
Bioremediatie heeft het grote succes te danken  aan vele voordelen ten opzichte van andere methoden. De kosten zijn namelijk lager en er worden geen chemicaliën gebruikt. Daarnaast zijn de processen van bioremediatie vaak schoner dan bij andere strategieën doordat er levende organismen worden gebruikt. Tot slot wordt het probleem in situ – ter plaatse opgelost. Hierdoor is de transportvan xenobiotica onnodig.2275402842_8dd70e149e_z

Creatief met genen
Hoewel bioremediatie veel voordelen biedt, wordt het ook gelimiteerd door de grenzen van de natuur. In sciencefiction films zoals X-men wordt onterecht het idee gecreëerd dat gunstige mutaties een veel voorkomend fenomeen zijn. Verreweg de meeste mutaties hebben juist geen effect of zorgen zelfs voor een defect. Daardoor hebben microben zich nog niet kunnen aanpassen om alle gesynthetiseerde moleculen, die sinds relatief korte tijd in de natuur voorkomen, te kunnen vernietigen.
Maar met behulp van genetische modificatie kan hun evolutionaire ontwikkeling worden versneld. Hierbij worden opzettelijk en doelgericht genen van een levend organisme veranderd door middel van kunstmatige technieken, door bijvoorbeeld een gen van een ander soort toe te voegen in een genoom of door mutaties in een specifiek gen op te wekken. Een organisme met één of meerdere vreemde genen wordt een genetisch gemodificeerd organisme (GGO) genoemd .
GGO’s kunnen veel voordelen voor bioremediatie bieden. In de natuur is een grote diversiteit aan microben die verschillende vervuilende stoffen kunnen afbreken, maar dit proces gaat vaak ontzettend langzaam. Bovendien zijn verschillende xenobiotica schadelijk voor de microben zelf. Ten slotte kunnen gesynthetiseerde moleculen, zoals eerder gezegd, vaak nog niet of onvolledig afgebroken worden. GGO’s kunnen al deze problemen moeiteloos omzeilen.

Twee voorbeelden van genetisch gemanipuleerde bacteriën voor in het riool  
Bacteriën kunnen op verschillende manieren gemanipuleerd worden voor verbeterde bioremediatie van afvalwater. Eén manier is het identificeren van organismen die geschikt zijn voor modificatie doordat ze genen hebben die een groot voordeel bieden. Een voorbeelIMG_20150415_145126d hiervan is Caulobacter crescentus, die gemodificeerd is voor de afbraak van cadmium. Dit is één van de zware metalen die te vinden zijn in afvalwater. Het is recentelijk geassocieerd met Multiple Sclerosis en andere syndromen waarbij myeline wordt afgebroken. Nu zijn er wel microben die cadmium kunnen afbreken, maar in alle gevallen wordt dit gedaan door het giftige metaal op te nemen in de cel. Hierdoor wordt het organisme beschadigd en de afbraak beperkt.  Maar C. crescentus is resistent tegen de giftige werking van cadmium dankzij speciale genen.  Bovendien is deze bacterie onschadelijk en kan hij overleven in omgevingen met weinig voedsel. Door hexa-histidine peptiden, moleculen die cadmium kunnen binden, toe te voegen aan de buitenkant van de cel kan de gemodificeerde C. crescentus 94,3% tot 99,9% van de cadmium verwijderen. Dat is veel sneller dan de afbraak van 11,4% tot 37,0% door het natuurlijke type.
Een andere aanpak is het modificeren van enzymspecificiteit en -affiniteit. De productie van enzymen wordt gereguleerd door de transcriptie en translatie van bepaalde genen. Met genen van andere organismen kunnen GGO’s nieuwe enzymen maken die een betere affiniteit hebben om bepaalde substraten af te breken. Of ze krijgen een specificiteit voor nieuwe substraten zodat ze andere moleculen kunnen  vernietigen. Van dit principe is gebruik gemaakt om bacteriën te ontwerpen die trichloroethylene (TCE) af kunnen breken. TCE is hoogstwaarschijnlijk een kankerverwekkende stof en is één van de meest voorkomende vervuilende stoffen in water. Pseudomonas stutzeri kan dit volledig afbreken dankzij het enzym Toluene-o-xylene monooxygenase (ToMO). Vardar en Good hebben door DNA shuffling bij P. stutzeri gericht het ontstaan van positieve mutaties gestimuleerd in het touA gen, dat codeert voor ToMO. Verschillende DNA strengen met elk verschillende mutaties werden vervolgens in een E. coli stam geplaatst. Deze kon TCE tot 2,8 keer sneller afbreken.

Acceptatie
Ondanks deze veelbelovende ontwikkelingen staat het onderzoek naar genetische modificatie de laatste jaren nagenoeg stil, doordat het artificieel veranderen van organismen nog maar weinig maatschappelijk geaccepteerd wordt. Maar de bovenstaande voorbeelden laten zien dat GGO’s veel beter xenobiotica kunnen afbreken vergeleken met wildtype bacteriën. Nu de vervuiling van onze leefomgeving ver buiten de perken gaat, lijkt het dan ook noodzakelijk te zijn dat er verder onderzoek wordt gedaan naar de mogelijkheden van GGO’s. Dat geldt niet alleen voor de bioremediatie van water, maar ook voor het schoonmaken van de verontreinigde bodem en lucht. Wil dit daadwerkelijk gebeuren, dan moet de bevolking eerst begrijpen dat dit de beste manier is om vervuiling tegen te gaan, zodat de grote angst voor GGO’s verdwijnt en onze toekomstige redders in nood worden geaccepteerd.

Literatuur:

  • Akpor, O. B., & Muchie, M. (2010). Bioremediation of polluted wastewater influent: Phosphorus and nitrogen removal. Scientific Research and Essays, 5(21), 3222-3230.
  • Campbell, N. A., Reece, J. B., Urry, L. A., Cain. M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., & Jackson, R. B. Biology. San Francisco, CA: Pearson Education, 2008.
  • Ehrenfeld, D. (2003). Globalisation: Effects on Biodiversity, Environment and Society. Conservation and Society, 1(1), 100-111.
  • Furukawa, K. (2003). ‘Super bugs’ for bioremediation. Trends in Biotechnology, 21(5), 187-190.
  • Kulshreshtha, S. (2013). Genetically Engineered Microorganisms: A Problem Solving Approach for Bioremediation. Journal of Bioremediation and Biodegradation, 4. doi: 10.4172/2155-6199.1000e133
  • Lawrence, E. (Ed) (2008). Henderson’s Dictionary of Biology. San Francisco, CA: Pearson Education Limited, (14e ed.).
  • Patel, J., Zhang, Q., McKay, M. L., Vincent, R., & Xu, Z., (2010). Genetic Engineering of Caulobacter crescentus for Removal of Cadmium from Water. Applied Biochemistry and Biotechnology, 160, 232-243. doi: 10.1007/s12010-009-8540-0
  • Reineke, W. (1998). Development of Hybrid Strains for the Mineralization of Chloroaromatics by Patchwork Assembly. Annual Review of Microbiology, 52, 287-331. DOI: 10.1146/annurev.micro.52.1.287.
  • Shim, H., & Wood, T. K. (2000). Aerobic degradation of mixtures of chlorinated aliphatics by cloned toluene-o-xylene monooxygenase and toluene o-monooxygenase in resting cells. Biotechnology and Bioengineering, 70(6), 693-698.
  • Singh, J. S., Abihlash, P. C., Singh, H. B., Singh, R. P., & Singh, D. P., (2011, 1 juli). Genetically   engineered bacteria: An emerging tool for environmental remediation and future research perspectives. Gene, 480(1-2), 1-9. doi: 10.1016/j.gene.2011.03.001
  • Thieman, W. J., & Palladino, M. A. (2009). Introduction to Biotechnology. San Francisco, CA: Pearson Education.
  • Urgun-Demirtas, M., Stark, B., & Pagilla, K. (2006). Use of Genetically Engineerd Microorganisms (GEMs) for the Bioremediation of Contaminants. Critical Reviews in Biotechnology, 26(3), 1145-164.
  • Vardar, G., & Wood, K. W. (2005). Protein engineering of toluene-o-xylene monooxygenase from Pseudomonas stutzeri OX1 for enhanced chlorinated ethane degradation and o-xylene oxidation. Applied Microbiology and Biotechnology, 68(4), 510-517.
  • Xu, Z., Lei, Y., & Patel, J., (2010). Bioremediation of soluble heavy metals with recombinant Caulobacter crescentus. Bioengineered Bugs, 1(3), 207-212.