DNA technieken

• Biologie
• Middelbare school
• havo
• Leerjaar 2

Waar gaat deze stof over?

Genetische modificatie

crispr-cas

Discussie

Genomics

DNA-tests

eDNA

Synthetische biologie

Leerdoel: Je kunt enkele DNA-technieken in de biotechnologie beschrijven.

Genetische modificatie

Biotechnologie is de verzamelnaam voor technieken waarbij organismen worden gebruikt om producten te maken voor de mens. Eenvoudige voorbeelden zijn gisten om brood te laten rijzen en bacteriën om yoghurt te maken. De gebruikte organismen zijn uit zichzelf in staat om de gewenste stoffen te produceren. Het DNA van de organismen hoeft hiervoor niet te worden veranderd.

Genetische modificatie

Bij nieuwere vormen van biotechnologie wordt het DNA van organismen wel veranderd. Er zijn verschillende technieken om nieuwe erfelijke informatie aan te brengen in het DNA van een organisme. Een verzamelnaam voor deze technieken is recombinant-DNA-technieken. Het nieuwe DNA kan afkomstig zijn van een ander soort organisme.

Een voorbeeld is de productie van insuline. Een diabetespatiënt moet bij zichzelf elke dag een hoeveelheid insuline inspuiten. Vroeger werd insuline uit de alvleesklier van geslachte varkens gehaald. Dat was duur en tijdrovend. Gezonde mensen hebben een gen dat de informatie bevat voor de productie van insuline. Bacteriën hebben dit gen niet. DNA van dit gen is weggehaald uit cellen van de mens en ingebracht bij bacteriën. Daardoor kunnen deze bacteriën insuline produceren. Nu is insuline zuiver en goedkoop.

Genetische modificatie

Het aanbrengen van gewenste erfelijke eigenschappen bij organismen heet genetische modificatie. 

Een genetisch gemodificeerd organisme wordt transgeen genoemd. Voor genetische modificatie worden vaak micro-organismen gebruikt, maar soms ook planten of dieren.

 In de gezondheidszorg, de landbouw, de industrie en het milieu worden genetisch 

gemodificeerde organismen 

gebruikt. 

In de afbeeldingen staan 

enkele toepassingen van 

genetische modificatie.

Begrippen

biotechnologie =  verzamelnaam voor technieken waarbij organismen worden gebruikt om producten te maken voor de mens

recombinant-DNA-technieken = verzamelnaam voor alle technieken waarmee het DNA van organismen wordt aangepast

genetische modificatie = aanbrengen van gewenste erfelijke eigenschappen bij organismen

transgeen  =  genetisch gemodificeerd organisme

Crispr - cas

Waarschijnlijk wordt het gebruik van genen van andere soorten op korte termijn grotendeels vervangen door een nieuwe techniek: crispr-cas. Bij crispr-cas worden gericht wijzigingen aangebracht in bestaande genen van een organisme. Dit wordt gene editing (gen-aanpassing) genoemd. Je kunt de techniek vergelijken met het aanpassen (‘editing’) van tekst. Door enkele letters te veranderen of een woord weg te laten, ontstaat een woord of zin met een nieuwe betekenis.

Crispr-cas is een mechanisme dat bacteriën gebruiken om zich te verdedigen tegen virussen. Als een bacterie een aanval van een virus overleeft, slaat zij het virus-DNA op in een soort ‘database’ in haar cel. Het enzym cas controleert de bacterie voortdurend op de aanwezigheid van virus-DNA door het te vergelijken met het DNA in de database. Zodra het enzym virus-DNA vindt, knipt hij het kapot.

Wetenschappers gebruiken dit mechanisme nu om genen in organismen te wijzigen. Cas wordt ingebracht om het stukje DNA te vinden dat moet worden gewijzigd. Het enzym knipt dit stukje DNA eruit. Daarna kunnen de uiteinden aan elkaar worden gemaakt, of er kan een nieuw stukje DNA worden ingebouwd. Zo kan een gen worden uitgeschakeld of vervangen. In afbeelding 2 is deze techniek schematisch weergegeven.

In de gezondheidszorg wordt crispr-cas ingezet voor gentherapie. Gentherapie is het gebruik van gene-editingtechnieken om kapotte genen te repareren. In afbeelding 3 staan nog enkele toepassingen van gene editing.

Gene - editing

Chocolade  Wetenschappers werken aan een oplossing om het immuunsysteem van de cacaoplant te versterken. Hierdoor wordt de plant bestand tegen een virus dat massaal toeslaat bij West-Afrikaanse gewassen.

Bananen

Wetenschappers proberen verschillende wijzigingen in genen uit om bananen te krijgen die beter tegen een bepaalde schimmel kunnen.

Koffie

Wetenschappers hebben genen van een koffieplant aangepast zodat de bonen geen cafeïne meer bevatten. Dit is goedkoper en beter voor de smaak dan wanneer de cafeïne er in de fabriek uit wordt gehaald.

Rijst

Wetenschappers hebben een rijstras ontwikkeld dat 25 tot 30% meer rijstkorrels produceert, terwijl de plant nog net zo goed tegen hitte en droogte kan.

Tomaten

Genetici hebben dertien smaakstoffen gevonden in een oud tomatenras. Ze gaan de smaakstoffen misschien aan moderne rassen toevoegen om tomaten meer smaak te geven.

Gene - editing

Maïs

Wetenschappers hebben een gen ontdekt bij een inheemse maïssoort. Het gen zorgt ervoor dat er onder droge omstandigheden meer maïskorrels worden gevormd. De wetenschappers willen het gen ook bij moderne rassen gaan toevoegen.

Paddenstoelen

Op de Pennsylvania State University ontdekten wetenschappers dat de ongewenste bruine plekken op paddenstoelen het resultaat zijn van een gen. Door dit gen aan te passen, kunnen paddenstoelen langer worden bewaard en blijven ze er mooier uitzien.

Tarwe

Wetenschappers in Spanje en Amerika zijn een tarweras zó aan het aanpassen dat de tarwekorrels veel minder gluten bevatten. Dit is goed nieuws voor mensen die niet tegen gluten kunnen

Begrippen

crispr-cas  =  techniek waarbij gericht wijzigingen worden aangebracht in bestaande genen van een organisme

gene editing  =  het aanpassen van bestaande genen

gentherapie  =  

het gebruik van gene-editingtechnieken om kapotte genen te repareren

Slaolie met genetisch gemodificeerde soja

Ben jij voor of tegen genetische modificatie?  Gebruik argumenten!

Genomics

Genomics (Nederlands: genomica) is de studie van het gehele DNA van een organisme met alle genen die daarop liggen.

Genomics wordt bijvoorbeeld gebruikt in kankeronderzoek. Onderzoekers bestuderen bij kankeronderzoek de activiteit van veel genen tegelijkertijd. Ze vergelijken dan de activiteit van genen in gezond weefsel en tumorweefsel met elkaar. Met een speciale techniek is zichtbaar welke genen aan of uit staan in tumorweefsel en gezond weefsel (zie afbeelding 5).

In de veeteelt wordt met behulp van genomics geselecteerd op gunstige genotypen van fokstieren.

Genomics (2)

Met genomics kunnen ziekten veel gemakkelijker worden opgespoord. Een arts hoeft een patiënt niet te testen op ziekte 1, ziekte 2, ziekte 3, enzovoort om erachter te komen wat er aan de hand is, maar kan het DNA vergelijken met dat van gezonde personen. Dan ziet hij snel waar afwijkingen zitten.

Genomics wordt ook gebruikt om behandelingen en medicatie op maat te maken voor een patiënt.

Begrip: genomics = studie van het gehele DNA van een organisme met alle genen die daarop liggen

DNA tests

DNA-tests zijn goedkoop, snel en nauwkeurig. Daardoor worden DNA-tests nu bijvoorbeeld gebruikt bij de misdaadbestrijding. Ieder mens heeft zijn eigen, unieke DNA. Als op de plaats van een misdrijf huidschilfers, haren, sperma of bloedsporen worden aangetroffen, kan het DNA uit de cellen hiervan worden onderzocht en vergeleken met het DNA van verdachte personen. Op deze manier kan uit een groep verdachten de werkelijke dader worden ontmaskerd.

DNA-tests kunnen ook op veel andere gebieden worden ingezet, bijvoorbeeld om fraude met vlees op te sporen. Met DNA-tests is aan te tonen van welk dier het vlees afkomstig is. Zo is een handelaar betrapt die (goedkoper) paardenvlees verkocht als (duurder) koeienvlees.

Met DNA-tests kunnen bovendien erfelijke ziekten worden opgespoord. Verder kan door DNA-tests evolutionaire verwantschap tussen soorten worden aangetoond of een nieuwe soort worden ontdekt. Met DNA-verwantschapsonderzoek kan worden onderzocht of een man de biologische vader is van een bepaald kind.

Begrip: DNA-test  =  test die DNA uit cellen onderzoekt

eDNA

Een veelbelovende techniek is het analyseren van eDNA (environmental DNA). eDNA is DNA dat in een bepaalde omgeving wordt verzameld, bijvoorbeeld uit een liter zeewater of uit een schep sneeuw. Alle organismen laten namelijk unieke DNA-sporen achter door te poepen, slijm af te scheiden, dode huidcellen te verliezen, enzovoort. Met eDNA kunnen wetenschappers erachter komen welke soorten er in het gebied voorkomen zonder de organismen zelf te hoeven vangen. Ze vergelijken het gevonden eDNA met stukjes DNA in een database. Daarin is het DNA van bekende soorten opgeslagen. Is er een match, dan is die soort waarschijnlijk in het gebied geweest.

eDNA  =  DNA dat in een bepaalde omgeving wordt verzameld

Synthetische biologie

De synthetische biologie is een vakgebied waarin biologisch materiaal kunstmatig wordt nagemaakt. Ook DNA kan worden nagemaakt. Zo hebben wetenschappers al het volledige DNA van een bacterie vervangen door kunstmatig gemaakt DNA. De overige organellen en celstructuren van de bacterie bleven onveranderd. De bacteriën bleven in leven en planten zich langzaam voort.

Wel hebben ze een afwijkende vorm. Synthetisch biologen hopen dat ze in de toekomst DNA kunnen ontwerpen voor micro-organismen die afvalstoffen kunnen opruimen of biobrandstoffen kunnen produceren.

 

Nog een toepassing van kunstmatig DNA is de opslag van informatie. Handmatig informatie vastleggen in DNA is al een tijdje mogelijk, maar in 2019 gebeurde dit voor het eerst volledig automatisch. Microsoft bouwde een geautomatiseerd systeem dat het woord ‘HELLO’ (vijf bytes) heeft opgeslagen in DNA(zie afbeelding 6). Dit duurde zo’n 21 uur.

synthetische biologie

In de toekomst is synthetisch DNA misschien wel dé manier om veel meer gegevens op te slaan op veel minder ruimte dan nu met de beste computertechnieken mogelijk is. Alle computerdata van de hele wereld zouden passen op één kilogram DNA.