Synthetische biologie. Wat is synthetische biologie? Wat is de betekenis, wat zijn kansen & uitdagingen? Wat is de impact op de industrie, economie & leven? Wat zijn interessante toepassingen? Hoe werkt het en kun je synthetisch DNA kopen?
Wat is synthetische biologie?
Emily Laproust van Twist Biosciences windt er geen doekjes om: ‘We zijn nu aanbeland in de eeuw van de biologie’. Volgens haar en andere experts moet elk bedrijf nu nadenken over hun biostrategie. Maar voordat je kan nadenken over die strategie: wat is de definitie van synthetische biologie?
In de afgelopen jaren heb ik verschillende definities gehoord. Deze verschillende definities heb ik in de onderstaande lijst opgesomd:
- Synthetische biologie is het (her)ontwerpen en namaken van cellen, delen of groepen cellen die een organisme vormen;
- Het is het industrialiseren van biologie en het biologisch maken van industrie;
- Met methoden uit de engineering ingrijpen op biologische processen en systemen, zoals design-test-build;
- Het opzettelijk menselijk ingrijpen op biologisch niveau, gericht op het modificeren van de lichaamsvorm, vermogens, behoeften of verlangens van een organisme, om het in overeenstemming te brengen met een vooropgezet cultureel idee;
- Het is een verzamelterm voor het (her)ontwerpen en bouwen van nieuwe biologische moleculen, celonderdelen en systemen, met als doel het inbouwen van niet-natuurlijke systemen in natuurlijke systemen voor nuttige toepassingen [definitie van COGEM, link onderin]
De mooiste beschrijving komt van wetenschapper Nadine Bongaerts. Ik heb haar geïnterviewd voor mijn podcast [link onderin]. Ze vertelt dat het mooie van synthetische biologie dat de natuur nooit iets maakt dat ze niet kan afbreken. Ze vraagt zich af of er nog überhaupt een onderscheid blijft bestaan: ‘Er is geen grens meer tussen biologie en technologie’.
Spreker synthetische biologie
Op TBX gaf ik een lezing over synthetische biologie. Bekijk de presentatie hieronder.
Betekenis synthetische biologie
Vaak ontstaat er verwarring over de verschillen en overeenkomsten met biotechnologie [link onderin]. Zelf beschouw ik synthetische biologie als een onderdeel van biotechnologie. Neem stamcel- of gentherapie, dat is het wijzigen van biologische systemen om deze te verbeteren. In het geval van synthetische biologie gaat het om het wijzigen of herontwerpen van biologische systemen voor nieuwe functies. Verderop in dit artikel geef ik daar een aantal voorbeelden van.
Volgens het Rathenau Instituut gaat synthetische biologie geleidelijk over van het modificeren van bestaande, levensvormen in het gericht ontwerpen van nieuwe, kunstmatige levensvormen [link onderin]. Grofweg bestaan er twee stromingen binnen synthetische biologie: top-down en bottom-up.
- de top-downbenadering is gericht op de deconstructie van bestaande biologische systemen.
- de bottom-upbenadering is gericht op de constructie van (aangepaste) biologische systemen.
Overigens neemt het niet weg dat sommige experts het verschil tussen biotechnologie en synthetische biologie nietszeggend of kunstmatig vinden. Zo sprak ik op Science Meets Business in april 2018 in Leiden. Na afloop kwam een biomedisch wetenschapper naar me toe: ‘Zeg, Peter. Volgens mij is synthetische biologie gewoon een nieuw woord voor biotechnologie. Rondom biotechnologie hangt toch teveel negatieve publiciteit, bijvoorbeeld met genetische modificatie met Monsanto. Daarom heeft de industrie er gewoon een ander label opgeplakt’.
Model synthetische biologie
Om de ontwikkelingen te duiden, heb ik dit artikel geschreven en onderstaande mindmap gemaakt; hierin staat ook het verschil in de definities tussen biotechnologie en synthetische biologie.
Mindmap met een samenvatting van welke concepten ik belangrijk vind en hoe ze met elkaar samenhangen.
Oorsprong
Waar komt het domein vandaan? In 2007 publiceerde het Rathenau Instituut het boek Leven Maken [link onderin]. Het was de eerste overzichtsstudie naar maatschappelijke aspecten van synthetische biologie. In het boek verwijzen de auteurs naar een stuk uit 2005 op magazine Wired met de titel Life, Reinvented [link onderin].
Het artikel gaat over een groep onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) die een nieuwe technische discipline wilden opzetten: synthetische biologie. Dit doen ze onder leiding van Tom Knight, specialist in computerwetenschappen. In het artikel op Wired zegt hij: ‘De biologie zal nooit meer hetzelfde zijn‘. Hij vergelijkt hoe elektrotechniek is ontstaan uit natuurkunde, maar nu een zelfstandige discipline is. Hij voorziet hetzelfde met synthetische biologie.
Het doel van de onderzoekers is om kunstmatige, levende systemen te ontwerpen, op een wijze die vergelijkbaar is met het ontwerpen van elektronische circuits. Ze willen DNA-bouwstenen bouwen die specifieke eigenschappen hebben en vastgestelde functies vervullen op dezelfde manier als schakelaars, transistoren en condensatoren.
In dit deel schrijf ik over de (economische) mogelijkheden, zoals het kopen van kunstmatig DNA.
Kansen
Wat zijn commerciële kansen voor synthetische biologie? Naar schatting is het marktaandeel in de Verenigde Staten zo’n 350 miljard dollar per jaar en stijgt dit met 15% per jaar. In 2012 wees het World Economic Forum de technologie al aan als de tweede belangrijkste technologie voor de eenentwintigste eeuw.
In een documentaire van Tegenlicht komt ondernemer Andrew Hessel aan het woord [link onderin]. Hij is de oprichter en eigenaar van het bedrijf Humane Genomics. Hij voorziet een ontwikkeling van biologie zoals die ook opging bij de computerindustrie. Wat daar volgens hem vooral voor nodig is, zijn goede gebruikersinterfaces, waardoor je biologie kan gaan programmeren zoals software.
Het doel van zijn bedrijf is om apps en modellen te ontwikkelen met genetische modificatie om ziektes te verhelpen. Hiervoor gebruiken ze virussen als methode om het DNA op de juiste plek af te leveren. In 2016 heeft het bedrijf al een dergelijke therapie getest om honden te genezen van kanker.
Groei van synthetische biologie volgens Synbiobeta [link onderin]. Dit gaat over de hoeveelheid investeringen in dollars per jaar.
Synthetische DNA kopen
Tegenwoordig kun je al synthetische DNA bestellen op internet. In 2010 was genetica pionier Graig Venter de eerste die met zijn team een cel had gemaakt met kunstmatig gecreëerd DNA [link onderin]. In de jaren daarna zijn er tal van bedrijven gestart met verkopen van synthetische DNA, zoals Cambrian Genomics [link onderin].
De voornaamste klanten van het bedrijf zijn nu nog vooral grote farmaciebedrijven. Zij willen met genetisch gemodificeerde microben en bacteriën nieuwe medicatie vinden. Ik kan me voorstellen dat de markt van potentiële afnemers nog veel groter is. Neem de gezondheidszorg of de voedselindustrie, ik voorzie dat het gebruik van synthetische DNA daar in 2025 heel normaal is.
Dit baseer ik mede op voorbeelden die nu al ontwikkeld zijn, waarover je verderop in dit stuk meer over leest. De bottom-line is dat het makkelijker kan zijn om iets helemaal opnieuw te ontwerpen, in plaats van dat je vast zit aan een biologische inrichting die in miljoenen jaren evolutie is ontstaan.
In dit deel schrijf ik over toepassingen van synthetische biologie, zowel op de korte als op de langere termijn.
Werking synthetische biologie
Wat is de werking van synthetische biologie? Het beste kan ik dit illustreren aan de hand van de meest gebruikte bacterie die wordt gebruikt in synthetische biologie, namelijk e.coli. Dit staat voor Escherichia coli. Veel mensen schrikken hiervan, omdat het een veroorzaker is van infecties aan de urinewegen.
Toch is de e.coli bacterie het meest gebruikt om te wijzigen en het daarmee geschikt te maken voor andere doeleinden. Zo wordt het al jaren gebruikt om kunstmatig insuline te maken [link onderin]. Voorheen werd insuline uit de pancreas van geslachte varkens, paarden en koeien gehaald. Dat was enorm inefficiënt: voor 100 gram insuline had je 1.000 kilo dierlijke pancreas nodig. Het was dan ook een grote doorbraak dat in 1982 het gen voor menselijke insuline in de e.coli bacterie gebouwd kon worden.
Een tweede voorbeeld is dat wetenschappers nu bezig zijn om e.coli genetisch te wijzigen voor de productie van biobrandstoffen [link onderin]. Aan de Universiteit van Californië hebben onderzoekers hiermee de bacterie geprogrammeerd dat het suikers kan omzetten in diesel en andere type brandstoffen.
Waarom wordt e.coli eigenlijk zoveel gebruikt? Ten eerste is het één van de meest onderzochte bacteriën. Ten tweede is e.coli heel flexibel; het is erg bereidwillig om allerlei genetische veranderingen te ondergaan. Ten derde groeit het heel erg snel, waardoor onderzoekers snel resultaat kunnen zien en bedrijven snel hun productie kunnen opschalen.
Voorbeelden
Wat zijn voorbeelden van synthetische biologie? Dit zijn een paar toepassingen die nu al in de wetenschap worden onderzocht of worden ontwikkeld door bedrijven.
- Landbouw
- Parfum
- Kleding
- Schoenen
- Verlichting
De toepassingen heb ik hieronder kort toegelicht met één of meerdere voorbeelden.
Landbouw. Aardappels hebben een gen gekregen van een vis uit de poolgebieden, om ze beter bestand te maken tegen vorst [link onderin].
Parfum. Rozenolie die wordt gemaakt door het wijzigen van het DNA van gist [link onderin]. Theoretisch zouden we daarmee ook geuren weer kunnen herintroduceren van planten en bloemen die zijn uitgestorven.
Kleding. Pili Biotech werkt met micro-organismes die kleurstoffen kunnen maken [link onderin]. Een van de partners van het bedrijf is modehuis Hermes. Zij onderzoeken samen of ze synthetische biologie kunnen gebruiken om kleding te kleuren.
Schoenen. In 2016 presenteerde Adidas haar nieuwe Futurecraft Biofabric schoen. De zijde op de schoen is gemaakt door de zijde van gemodificeerde bacteriën [link onderin]. Het voordeel hiervan is dat de schoen binnen 36 uur volledig composteert na het toedienen van een bepaald type enzym.
Verlichting. In Nederland verlichtte kunstenaar Daan van Roosegaarde een fietspad bij Nuenen met fonkelende steentjes. Glowee onderzoekt hoe ze planten in de stad kunnen aanpassen met de enzymen van bepaalde algen [link onderin]. De planten gaan daarmee een fluoriserend licht afgeven waardoor je geen straatlantaarns meer nodig hebt.
Toepassingen (5x)
De impact van synthetische biologie is volgens Nadine Bongaerts verstrekkend: ‘Synthetische biologie zorgt voor een nieuwe kijk op bijvoorbeeld zorg en energie’. Om haar stelling te onderbouwen, heb ik een paar toekomstscenario’s beschreven met daarbij de mogelijke toepassing van synthetische biologie. Dit zijn:
- Geneeskunde
- Voeding
- Energie
- Milieu
- Oorlogsvoering
De toekomstscenario’s heb ik hieronder uitgewerkt met één of meerdere voorbeelden.
1 Geneeskunde
In 2015 ontdekte een team wetenschappers van de Stanford University dat ze gist genetisch konden modificeren, waarna het gist opiaten ging produceren [link onderin]. Hiervoor dienden ze suiker toe aan het gist, een proces vergelijkbaar met het maken van brood of bier. Dit kan verstrekkende consequenties hebben voor de farmacie industrie en het produceren van anesthesiemiddelen.
Een ander voorbeeld is het ‘Human Genome Project – Write’ [link onderin]. Dit bouwt voort op het eerdere project om de complete volgorde van het DNA van de mens in kaart te brengen (in 2000 afgerond). Binnen het ‘write’ project wil een groep wetenschappers de complete volgorde van het menselijke DNA namaken. Het achterliggende idee is dat je beter DNA nieuw kan maken dan op bestaande DNA ingrijpen.
2 Voeding
Dit is het onderdeel dat het meeste in de (media) belangstelling staat. Niet onterecht, want veel onderzoekers zien de voordelen voor het grondverbruik, waterverbruik en de impact op het milieu van de groeiende veestapel. Het verst hierin gaat wetenschapper Graig Venter. Hij zegt: ‘Over 50 tot 100 jaar verwacht ik dat er nog amper boerderijen zijn. Ik voorzie biologische fabrieken die al ons eten maken. Het is efficiënter en beter voor het milieu.’
Hetzelfde ziet Louise Fresco, bestuursvoorzitter van de Wageningen Universiteit. In een interview met de Volkskrant zegt ze: ‘Het verschil tussen biologisch en niet-biologisch zal minder groot worden doordat de techniek, de vooruitgang in de genetica, die twee categorieën verbindt.’
3 Energie
Pam Silver van Harvard University ontwikkelde in 2016 de allereerste bionische bladeren [link onderin]. Deze kunstmatige bladeren bootsen fotosynthese na; zonlicht wordt door de bladeren omgezet in brandstof. Dit is nu nog een redelijk inefficiënt proces, maar een doorbraak hierin kan in één keer het energieprobleem oplossen.
Wat als we als mens fotosynthese (het proces in planten waarbij lichtenergie zorgt voor de omzetting van CO2 en water in suikers en zuurstof) kunnen nabootsen? Louise Fresco: ‘Fotosynthese is de basis van ons leven’. Als we de effectiviteit van fotosynthese kunnen benaderen, dan lossen we in een keer het energieprobleem in de wereld op.
Een mooi voorbeeld is dat onderzoekers van de University of British Columbia een zogenaamde biogenic zonnecel hebben ontwikkeld [link onderin]. Deze zonnecel kan veel meer energie opwekken – zelfs als de zon niet schijnt. Hiervoor hebben ze de e.coli bacterie (daar is die weer) genetisch aangepast, zodat deze meer lypoceen ging produceren. Lypoceen is een stof die bijvoorbeeld ook in tomaten zit en die een effectief medium is om zonlicht op te vangen.
4 Milieu
Nadine Bongaerts vertelde in ons interview over een project dat ze heeft gedaan om met bacteriën olie af te breken. Zij deed dit in het kader van de iGEM competitie [link onderin]. Een ander voorbeeld zijn biosensoren die drinkwater testen op schadelijke stoffen. In 2006 ontwikkelde het iGEM-team van Edinburgh een bacteriële biosensor die in staat is om snel en goedkoop het giftige arseen te detecteren.
Hoe werken biosensoren? RNA kan de expressie van genen reguleren door zich aan moleculen te binden. Biosensoren bestaan meestal uit cellen die zo zijn geconstrueerd dat ze reageren op specifieke signalen uit de omgeving. Wordt zo’n signaal gedetecteerd, dan produceert de biosensor op zijn beurt een outputsignaal dat zorgt voor een specifieke actie. Dit kan bijvoorbeeld het uitstralen van fluoriserend licht of een ander biologisch proces zijn.
Tim Gardner, de oprichter van Riffyn (daarover straks meer), zegt dat er geen enkel fysiek probleem is dat biologie nog niet heeft opgelost. Hij haalt hierbij het voorbeeld van de Deinococcus radiodurans bacterie aan. Dit organisme is in staat om de straling van een atoomboom te absorberen. De werking van een gemodificeerde variant wordt nu getest op het verwerken van radiologisch afval [link onderin].
5 Oorlogsvoering
DARPA staat voor Defense Advanced Research Projects Agency. Het is een onderdeel van het Amerikaanse leger dat zich bezig houdt met technologie. Zij zijn één van de grootste financiers van synthetische biologie [link onderin]. Voorbeelden van toepassingen die zij onderzoeken: sterkere kleding, probiotica om infecties te bestrijden en bouwmateriaal waarmee een soldaat met alleen water al een beschermende constructie kan maken.
In dit deel schrijf ik over de toekomst en welke uitdagingen er nog zijn voor synthetische biologie.
Toekomst
De meeste experts in het domein van synthetische biologie denken dat het nog even duurt voordat we het echt gaan merken. Cumbers en Schneiders schrijven in hun boek: ‘Het duurt nog vijf tot acht jaar voordat synthetische biologie echt een impact gaat hebben’. Zij schreven het boek in 2017. De echte doorbraak van synthetische biologie kunnen we volgens hun voorspelling tussen 2022 en 2025 verwachten.
Sommige experts hebben hele futuristische visies. Zo denkt professor Rodrigo Martinez dat we op een andere manier met kleding om zullen gaan. ‘Je huis heeft een apparaat die je kleren print als jij onder de douche staat. Als het aantrekt, dan neemt het de ideale vorm aan. Gedurende de dag verandert het van kleur, maar het blijft altijd fris en schoon. ’s Avonds recycle je het weer voor de volgende dag’.
Waar zit die vernieuwing in? Paul Freemont van het Imperial College in Londen verwacht het meeste van combinaties. ‘De interactie tussen kunstenaars, architecten, ontwerpers, ingenieurs, biologen, biotechnologen en computerwetenschappers zorgt voor innovatie’. Het ligt dus niet alleen bij de biotechnologen en wetenschappers, maar juist in de combinatie met andere professionals.
Uitdagingen (3x)
Het lijkt zo veelbelovend, alle mogelijkheden en (commerciële) kansen die synthetische biologie biedt. Toch zijn er nog wel wat valkuilen en uitdagingen voor een verdere groei van deze technologie.
#1 Het is nog steeds lastig om biologische systemen en processen echt goed te kunnen controleren en beheersen. Een computerchip is stabiel en voorspelbaar, dat geldt niet voor cel of genetische code.
#2 Het kan lastiger zijn om weg te gooien. Jay Keasling is professor aan de Universiteit van Californië: ‘Een iPhone kun je weggooien als het niet werkt, maar dat geldt niet voor iets dat leeft. Denk bijvoorbeeld aan dat je een nieuwe upgrade van je gekloonde of gekweekte huisdier wil. De oude kun je niet zomaar weg doen. Daar moeten we goed over nadenken.’
#3 De mening van het publiek. Genetische modificatie of het sleutelen aan levende organismen roept soms heftige reacties op. Een bekend voorbeeld is Monsanto. Volgens Greenpeace leidt de toepassing van dat bedrijf van genetische modificatie tot een vermindering van de biodiversiteit en problemen bij boerenbedrijven.
In dit deel schrijf ik over de mogelijke impact van synthetische biologie en deel ik mijn conclusie.
Impact
Wat is nu de reden van de verwachte groei van synthetische biologie? Professor Piere Monsan (Universiteit van Toulouse) is onder de indruk van de snelheid van het onderzoek op dit domein: ‘De groei van de wetenschappelijke kennis op dit gebied is adembenemend’. Één van de belangrijkste redenen daarvoor is de ontdekking van CRISPR/cas9 als methode om in te grijpen op genen. Eerder schreef ik een uitgebreid artikel over genetische modificatie [link onderin].
Binnen de computerwetenschappen is veel vooruitgang geboekt door de ontwikkeling van standaarden en platformen. Zo hoeven programmeurs nu hun programma’s niet helemaal vanaf niets op te bouwen, maar maken ze gebruik van catalogi en vaste programmeertalen. Dezelfde trend voltrekt zich nu ook voor synthetische biologie. Zo is Riffyn een vergelijkbaar platform zoals Github en is Anta een programmeertaal voor biologie in laboratoria [link onderin].
Deze en andere bedrijven werken aan software om biologische processen te standaardiseren, automatiseren en simuleren. Dit zorgt ervoor dat de aard van het werk verandert. Emily Laproust van Twist Biosciences: ‘Op de lange termijn verandert biologie in een software- en datadiscipline’. Hiermee doelt ze erop dat wetenschappers in software de genen en organismen ontwerpen om deze vervolgens door andere bedrijven te laten kweken.
Conclusie
De mogelijkheden die synthetische biologie biedt zijn talrijk en veelbelovend. Toch is het altijd de vraag in welke mate de verwachtingen en toekomstvisies uitkomen. Dat geldt overigens niet alleen voor synthetische biologie. Toch zijn er een paar dingen die er voor mij uitspringen.
De eerste is dat we miljarden jaren geen weet hadden van hoe onze biologie en de biologie in de wereld om ons heen werkt. Nu we dat steeds beter snappen, zijn we ook in staat om het te veranderen en te wijzigen naar hoe wij dat willen. Ten tweede kunnen we een heleboel leren van de computerindustrie. Toen daar standaarden en software bovenop de fundamentele computercode beschikbaar kwamen, kon een veel grotere groep gebruik maken van deze ontwikkeling.
Dat is het derde punt: als synthetische biologie voor meer mensen beschikbaar komt, dan gaan bedrijven, ondernemers en doe-het-zelvers hun creativiteit gebruiken of vermengen met andere technologieën zoals kunstmatige intelligentie. In de jaren ’90 van de vorige eeuw had niemand aan Google, Facebook en Uber gedacht. Wat worden de winnaars van de eeuw van de biologie?
Tot slot is het vierde punt dat mij aanspreekt, de invloed die deze technologie kan hebben op de grote wereldproblemen die we nu kennen. Als we echt fotosynthese kunnen nabootsen, dan kunnen we het klimaatprobleem oplossen. We kunnen synthetische biologie inzetten om nieuwe medicijnen te ontwikkelen of om voedsel resistent te maken tegen weersomstandigheden in arme landen. Kortom, synthetische biologie kan echt een verschil maken.
Bronnen
Luister mijn interview met Nadine Bongaerts op mijn podcast over dit onderwerp. Je kan deze aflevering vinden via iOS of Spotify (en via je smartphone de interviews luisteren).
Deze boeken heb ik over dit onderwerp gelezen:
Deze documentaires gaan over dit onderwerp:
- Documentaire Genesis 2.0
Dit zijn externe links die ik heb gebruikt:
- Artikel over synthetisch DNA
- Artikel Rathenau Instituut
- Publicatie COGEM
- Rapport Leven Maken
- Artikel Life, Reinvented
- Bedrijf Cambrian Genomics
- Website Andrew Hessel
- Artikel over groei op Sybiobeta
- Onderzoek kunstmatige insuline
- Website iGEM competitie
- Artikel over e.coli voor biobrandstoffen
- Onderzoek over gen poolvis voor aardappels
- Artikel over schoen Adidas
- Website over Pili Biotech
- Artikel over Glowee
- Artikel over opiaten produceerde gist
- Artikel over bionische bladeren
- Artikel over biogenic zonnecellen
- Artikel over DARPA
- Onderzoek naar bacterie die radiologische straling kan opnemen
- Website HGP write
PS. Wil je me inhuren voor een lezing over workshop over dit onderwerp? Doe dan een boekingsaanvraag!
Hoe denk jij hierover? Laat een reactie achter!
Wat opdrachtgevers zeggen over Peter
Mooie presentatie, super interactief en bovendien heel interessant en inspirerend.
Ik raad Peter van harte aan als spreker!
Anna van Oenen, Visma Nmbrs
Peter heeft een heel interessant verhaal waarbij hij gebruik maakt van een fijn tempo en voldoende afwisseling en interactie.
Kortom: een aanrader!
Jorien van den Akker, Demcon
Interesse?
In mijn lezingen, workshops en webinars geef ik een overzicht van de meest relevante (technologische) ontwikkelingen, de kansen die ze opleveren en de risico’s die ze met zich mee brengen.
Mijn insteek is praktisch, met talrijke concrete voorbeelden, humor en veel interactie met de deelnemers.
Interesse?
In mijn lezingen, workshops en webinars geef ik een overzicht van de meest relevante (technologische) ontwikkelingen, de kansen die ze opleveren en de risico’s die ze met zich mee brengen.
Mijn insteek is praktisch, met talrijke concrete voorbeelden, humor en veel interactie met de deelnemers.
Gerelateerde berichten
Als je dit een leuk artikel vond, lees dan ook mijn andere artikelen.
