In het rapport 'Leven Maken' geeft het Rathenau Instituut een idee van synthetische biologie: "Onderzoekers omschrijven synthetische biologie als een nieuwe vorm van biotechnologie, waarbij het modificeren van bestaande, natuurlijke levensvormen geleidelijk overgaat in het gericht ontwerpen van nieuwe, kunstmatige levensvormen."
2.1 Ontwerpen met leven
Synthetische biologie is een nieuwe benadering van techniek op basis van het manipuleren van DNA en tot een oprichting van een database van gestandaardiseerde biologische bouwstenen. Hierbij maken synthetisch biologen veel gebruik van genetische modificatie. De levende natuur herbergt minstens 60 miljoen verschillende genen1. Dat is veel meer dan onderzoekers ooit konden dromen. De biologische onderdelen kunnen worden gemonteerd op verschillende wijzen voor verschillende toepassingen. Gelijkwaardig aan elektrische componenten zoals transistors en condensatoren, die gemonteerd kunnen worden op verschillende manieren om verschillende elektrische circuits te creëren. Dit soort raamwerk wordt ook wel een abstractie hiërarchie genoemd.2 Het is zeer krachtig omdat het mogelijk maakt dat sommige mensen biologische apparaten en systemen kunnen ontwerpen met gekozen eigenschappen van bacteriën. Net als met LEGO blokjes kunnen we met deze stukken DNA een oneindig aantal bouwwerken ontwerpen, althans in theorie. Dat is het idee achter synthetische biologie.
Het (her-)ontwerpen van cellen of delen daarvan is geen vreemd begrip voor een microbioloog, met bouwstenen proberen wetenschappers organismes te voorzien van speciale gekozen eigenschappen. Het is een nieuwe wetenschap die de grenzen van het mogelijke wil aftasten door biologische principes te bekijken door een ingenieursbril. Op die manier wil men de uitkomst van de manipulatie van bacteriën voorspellen en controleren.3 Sommige experimenten zijn al redelijk geslaagd, een E.Coli bacterie die artemisinezuur kan maken, het essentieel onderdeel voor antimalaria, of bacteriële biosensoren om zware metalen mee te detecteren. En tijdens ontwerpwedstrijden als iGEM ontwerpen studenten met ‘biobricks’ allerlei micro-organismen in elkaar die nog veel futuristischer zijn. Bijvoorbeeld bacteriën die olie aan kunnen eten en daarom bij rampen op zee nuttig kunnen zijn. Hier gaat het nog om het inbouwen van nieuwe genen in bestaande organismen. Maar wetenschappers zouden het liefst complete nieuwe organismes van af de grond af opbouwen, inclusief chemisch nagemaakt DNA. 4
Tegenwoordig hoef je om te knutselen met genen geen levend materiaal te isoleren. Dankzij de moderne labotechnologie kunnen wetenschappers nu ook zelf DNA maken. Het enige wat ze moeten weten is de juiste ‘code’ van de letters A,C,T en G. Die code kan dan met de juiste ingrediënten precies worden nagemaakt, of mee worden gevarieerd.5 ‘Ideaal gesproken hoef je weinig van DNA af te weten om met de gesynthetiseerde bio-bouwstenen nieuw DNA te kunnen ‘bouwen’. Daarom bestaan er nu ‘biobrick-banken’ met gestandaardiseerde levende eigenschappen.
2.1.2 Kunstmatig leven
Een bacterie van af de grond af opbouwen zijn een van de doelen binnen de wetenschap. In het voorjaar van 2010 melde de geneticus Craig Venter in het tijdschrift Science6 dat zijn medewerkers 1,08 miljoen basenparen7 aan elkaar hadden gebreid tot een exacte kopie van het DNA van de bacterie Mycoplasma mucoides. De ontdekking was een van de belangrijkste momenten in de synthetische biologie. Maar vier jaar na Venters creatie (maart 2014) hebben genetici een nieuwe mijlpaal bereikt in de synthetische biologie. Een internationaal team8 heeft nu voor het eerst een volledig kunstmatig chromosoom gebouwd die ze met succes hebben geïntegreerd in een levend organisme, namelijk een gistcel.9 Gitscellen bezitten 16 chromosomen waarin hun genetische informatie ligt opgeslagen. Het belangrijkste wat de onderzoekers deden waren geen weglatingen van stukjes overbodig DNA, maar verplaatsingen van belangrijke genen, waardoor de functionaliteit van de cel ook lichtjes veranderde. Door aan te tonen dat verplaatsingen van willekeurige genen geen negatieve gevolgen heeft voor de normale werking van de cel, laten ze zien dat je heel wat kan veranderen aan het DNA. Coördinator Jef Boeke (New York University) verwacht dat hij over vier jaar levende gistcellen heeft met een functionerend artificieel genoom.10
2.3 Wat is biotechnologie en wat wordt er ontworpen?
Biotechnologie is het toepassen van biologische kennis om met behulp van organismen bepaalde producten te ontwikkelen. Bij de moderne biotechnologie wordt gericht ingegrepen in het erfelijk materiaal van organismen. De moderne biotechnologie is ontstaan omdat wetenschappers de techniek steeds beter ontwikkelden om de erfelijke eigenschappen van organismen te onderzoeken. Naarmate bekend werd welke genen bepaalde eigenschappen veroorzaken, werd het ook mogelijk om deze genen gericht te veranderen. 11 Biotechnologie is uitgegroeid tot een breed vakgebied. Daarom wordt onderscheid gemaakt tussen verschillende deelgebieden. Er zijn vier deelgebieden die aangeduid worden met een kleur.
Met de nieuwe techniek en de diverse eigenschappen van microben zijn de toepassingen eindeloos. 'Onze fantasie schiet grotendeels tekort om te overzien waarvoor we synthetische cellen nuttig kunnen gebruiken'.12
De toepassingen binnen de biotechnologie en microbiologie zijn op bedrijfsmatig en onderwijs niveau over het algemeen gericht op duurzamere verbeteringen met betrekking op het milieu en de gezondheidszorg. De materialen en brandstoffen die we in de toekomst gebruiken, zullen niet langer gebaseerd zijn op fossiele grondstoffen maar op biologische hernieuwbare grondstoffen, de zogenaamde biobased-economy.13 Er wordt gedacht aan de ontwikkeling van micro-organismen die effectief zijn in het opruimen van verontreinigde grond of oppervlaktewateren. En wetenschappers beweren dat synthetische biologie problemen als klimaatverandering, energie- en watertekorten en de gezondheidszorg kan oplossen in de toekomst.14 Zoals harde korrels die water kunnen zuiveren, waarbij microben de afvalstoffen verteren en hun werk doen onder zuurstofrijke omstandigheden en als korrels samenklonteren. Een E.coli bacterie als wereld kleinste taperecorder. Die zo is ontworpen dat zij herinneringen uit de omgeving kunnen documenteren, zodat ze bijvoorbeeld in de oceaan CO2 of vervuiling kunnen meten, of verspreiding van kanker kunnen controleren.
2.4 Inspiratie en creativiteit
Waar halen biotechnische onderzoekers inspiratie vandaan? De oplossing bieden voor een bepaald probleem is de duidelijkste inspiratiebron voor wetenschappers in het bedrijfsleven. Het is lastig om een antwoord los te peuteren bij een microbioloog wanneer het gaat om een vraag als deze, het is namelijk een los begrip. Sommige stellen dat gesprekken met mensen ook een bron van inspiratie is. Dat sommige ideeën ook heel onverwachts kunnen komen (interview, Ton van Maris). Maar dan wel binnen een bestaand probleem heb ik het idee. Het creatieve proces wordt gedreven door probleemoplossend vermogen en nieuwsgierigheid.
“Inspiratie komt bij mij voornamelijk uit interesse voor een specifiek vraagstuk. Een goed en interessant vraagstuk zet je aan het denken, je denkt over eigenschappen van het probleem en technieken die handig gebruik kunnen maken van deze eigenschappen” – MSc student biotechnology aan Wageningen
2.4 iGEM
Een sticker die aangeeft wanneer een stuk vlees bedorven is. Een ontworpen verband waarin een yoghurtbacteriën verwerkt zit die stoffen aanmaakt voor het helpen tegen twee andere bacteriën die ontstekingen in brandwonden veroorzaken. Een bacterie die water laat bevriezen (ED Frosti) en eindeloze mogelijkheden creëert bijvoorbeeld voor het verhinderen dat gletsjers smelten.
International Genetically Engineered Machine (iGEM) is een ontwerp competitie voor studenten en engineers van over de hele wereld gericht op synthetische biologie. Waar aan de hand van veelbelovende projecten zogenoemde techno-morele vignetten worden ontwikkeld. Deze vignetten zijn korte scenario’s, gebaseerd op concrete toepassingen waar onderzoekers aan werken. Mogelijke ethische en maatschappelijke dilemma’s rondom synthetische biologie als opkomende technologie worden hier uitgelicht.15 Deze iGEM-competitie is echt een voorbeeld hoe creatieve studenten kunnen bijdragen tot innovatie. Bijvoorbeeld een team van de Universiteit van Texas die een circuit ontwierpen en het integreerden in bacteriën, die vervolgens werkten als een fotografische plaat. Een component was een lichtgevoelig eiwit dat zijn functie uitoefende bij de prikkeling van een lichtstraal. Dit eiwit was verbonden met een pigment producerend gen. Wanneer ze de synthetische bacterie kweekten op een vlakke doorzichtige plaat en daarop een afbeelding projecteerde, bewerkten de bacteriën het licht en donker met een resolutie van 16 dpi. Het onderzoek werd gepubliceerd in Nature en de gebruikte onderdelen ontwikkelde zich tot een nieuw synthetisch-biologisch-instrument: The edge director.16In deze wedstrijd zijn er geen grenzen. De studenten kunnen creatief zijn in het ontwerpen van een uitvoerbaar project. In deze projecten worden “BioBricks” ontworpen, stukken DNA met een bepaalde functie, die vrij met elkaar te combineren zijn. De competitie gaat niet alleen over technische hoogstandjes, maar heeft ook als doel de studenten te stimuleren om zich zelf te presenteren.
2.5 Doe het zelf bioloog.
Buiten wetenschapslaboratoria, los van het bedrijfsleven en economische prestaties.
'Do it yourself biologist' ook wel 'biohackers' genoemd vertoont een opvallende gelijkenissen met de garagecomputercultuur van de jaren 197017, een cultuur die de pc-revolutie in de decennia nadien vorm gaf. Zelf een lab bouwen in een kast, in een keuken of samen op een ontmoetingsplek. Waardoor je informatie uitwisselt en elkaar inspireert, dat is het idee achter doe-het-zelfbiologen.
De klassieke doe-het-zelfbioloog zit in zijn garage, badkamer of zolder tussen de pipetten en zelfgemaakte centrifuges. Maar dat is niet hoe de Belgische Jonathan Ferooz het wil aanpakken. De doctor in de microbiologie startte DIYBio Belgium op. Zijn bedoeling: de Belgische biohackers samenbrengen en een gezamenlijk project uitdokteren. ‘Ik kan iedereen in twee weken leren hoe je DNA analyseert of bacteriën een nieuwe functie geeft’, zegt Ferooz. ‘Synthetische biologie is net als koken. Kies of je chocolade- of vanillecake wilt maken – in de biologie: kies het gen dat je wilt – en volg het recept18'.
Deze stromingen zijn van belang voor het stimuleren van betrokkenheid tussen publiek en wetenschap. Deze DIY biologen zijn individuele biohackers die de biologische experimenten eerder uitvoeren als roeping dan als hobby.19 Het gaat hoogst waarschijnlijk om personen die zeer nieuwsgierig zijn naar wetenschappelijke principes en methodes.20 Wereldwijd zijn er waarschijnlijk meer dan 1000 amateur biologen met belangen in DNA sequencing21, microbiële screening, milieucontrole, of toepassingen voor gezondheidszorg en energie. De organisatie DIYBio.org, is een gemeenschap met meer dan 2.000 geregistreerde leden, in meer dan 30 landen. Op dit moment zijn de meeste van deze groepen gericht op onderwijs, basis kennis wordt bijvoorbeeld overgebracht aan leden door middel van seminars, workshops, en activiteiten. De karakteriseerde functies worden omschreven als: Interdisciplinariteit, not-profit streven, ontwerp en het gebruik van kost effectieve tools en uitrusting, gefocust op open source en open-science innovatie22.
Het do het zelf lab Waag Society Amsterdam is een ontmoetingsplaats voor kunstenaars, ontwerpers, architecten, ontwikkelaars, studenten en wetenschappers. Die ook kunst en cultuur een doorslaggevende rol geeft bij het ontwerpen van betekenisvolle toepassingen in biotechnologie en cognitieve wetenschappen. Intuïtief en nieuwsgierigheid gedreven onderzoek van kunstenaars en ontwerpers staat daarbij voorop. Want zij weten als geen ander technologie te bevragen, de onderste steen boven te krijgen, heilige huisjes omver te werpen, verbeelding en fantasie te prikkelen, onverwachte verbindingen tot stand te brengen en bovenal op zoek te gaan naar betekenis.23
2.6 Toekomst, stel dat.
“The biggest innovations of the twenty-first century will be the intersection of biology and technology. A new era is beginning” – Steve Jobs
De eerste computer technieken die rond 1985 academies binnen werden gedragen, de eerste printers die bij mensen in huis stonden en doe het zelf biologen. We kunnen stellen dat de evolutie rond nieuwe technieken snel gaan. De toekomst van de biotechnologie gaat dan ook zes keer sneller dan die van de mobiele techniek en het internet.24 En naarmate de technologie evolueert, wordt synthetische biologie in verwachting eenvoudiger te gebruiken dan traditionele genetische manipulatie. Zo zal de komst van synthetische biologie zich ook manifesteren tot ver buiten de academische instellingen en de industrie. Het trekt nieuwe spelers in een veld die normaal gesproken gereserveerd is voor traditioneel hoogopgeleide professionals.25 Dit bied kansen voor mensen om met eigen creatieve inzichten mee te ontwerpen aan toepassingen. De principes binnen de biotechnologie zijn dus niet alleen interessant voor biologen, maar ook voor andere vakgebieden zo als, informatica, elektronica, nanotechnologie, architectuur en ontwerp.
Behalve het ethische belang voor maatschappelijke discussies (Wat leven eigenlijk is en hoe gaan we om met regels?), is er weinig spreken over speculatieve toekomst verwachtingen binnen bijvoorbeeld 50 jaar. Maar als de technologie nu zo snel gaat, wat gebeurd er als we straks ons zelf kunnen ontwerpen? Met het idee dat we ons eigen virtuele wereld kunnen scheppen, stel dat we in staat zijn om het echte leven te ontwerpen? Hebben we ons ‘biologische’ lichaam dan nog wel nodig? Andrew Hessel, onderzoeker aan de Singularity Universiteit waarschuwt: “In de toekomst zouden hackers virussen en bacteriën kunnen herprogrammeren om het menselijk brein te infecteren en zo het gedrag van mensen aan te passen”26 Volgens hem is synthetische biologie één van de krachtigste technologieën in de wereld". Cellen zijn volgens hem levende computers en DNA is de programmeertaal. En stel dat deze programmeertaal op het zelfde niveau bruikbaar wordt als de huidige programmeertalen?
