De weg van plant tot eencellige

‘Ik zoek een hormoon,’ zo legt Dries het uit. Ik bevind me in het instituut voor plantkunde en microbiologie aan de KU Leuven, in Kasteelpark Arenberg te Heverlee. Met notitieboekje en camera in de hand, sla ik hier gade hoe Dries gefrustreerd de ene vriezer na de andere opentrekt, op zoek naar de verloren substantie.

Het hormoon blijkt niet op zijn plaats te staan, of misschien staat het er wel, maar is het fout gelabeld. Laboratoria staan vol met reageerbuizen en maatbekers, vaak amper van elkaar te onderscheiden, tenzij de gebruiker het geduld heeft gehad er vakkundig op te schrijven wat eigenlijk de troebele stoffen zijn.

Dries Oome is lid van het Leuven iGEM-team van dit jaar. iGEM is een internationale wedstrijd binnen de synthetische biologie, waarin verschillende internationale studententeams het tegen elkaar opnemen. Voor het eerst zou de wedstrijd dit jaar eindigen met een slotevent in Parijs (in plaats van aan het MIT in Boston), maar door de coronapandemie gaat het nu online door.

Het Leuvense team dingt dit jaar mee met een project rond ‘gestuurde evolutie’ in planten, getiteld Bladen (wat staat voor Botanical Laboratory for Accelerated Evolution). Gestuurde evolutie (directed evolution) is een methode om het proces van natuurlijke selectie te gebruiken om tot het gewenste gen te komen.

Dat gebeurt door eerst het bestaande gen op willekeurige manieren te laten muteren om dan vervolgens zelf een kunstmatige selectie uit te voeren op de verkregen ‘bibliotheek van mutanten’, zodat enkel die mutatie overblijft die het gewenste resultaat oplevert.

Gestuurde evolutie is populair geworden onder wetenschappers, en onderzoek ernaar kreeg in 2018 de Nobelprijs in de scheikunde. Het wordt voornamelijk toegepast op eencellige bacteriën. Recenter worden ook de eerste stappen bij gistcellen en zoogdiercellen gezet.

Maar plantencellen worden nog al eens vergeten. Hoewel er wel al gestuurde evolutie gebruikt is bij planten, is dat nog niet gebeurd met de mutatiemethode van EvolvR (een methode die onder meer gebruikt maakt van CRISPR-Cas9). Daar wil het Leuvense iGEM-team deze zomer verandering in brengen.

Voor plantengewassen kan deze techniek allerlei voordelen opleveren, zoals een hogere opbrengst of betere resistentie. Al eeuwen selecteren mensen de betere planten om mee verder te kweken. Maar deze klassieke veredeling gaat traag, want het duurt een hele tijd vooraleer de volgende generatie planten volgroeid is.

Bovendien gebeurt zo’n selectie op het ‘uiterlijk’ van de plant, het zogenaamde fenotype, terwijl het niet duidelijk is welke genen aan dat vertoon ten gronde liggen (biologen spreken van genotype).

Technieken van de gestuurde evolutie kunnen hier een verschil maken. Deze technieken werken met eencelligen, die zich vaak sneller voortplanten, waardoor het proces aanzienlijk verkort kan worden. Er is echter één groot probleem: een plant is geen eencellige, maar een complex meercellig wezen.

Hetzelfde probleem stelt zich ook bij onderzoek naar de mens. Daar wordt het vaak opgelost via zogenaamde ‘onsterfelijke cellijnen’. De bekendste daarvan is de HeLa-cel, een cellijn die teruggaat op het kankergezwel van Afro-Amerikaanse patiënte Henrietta Lacks.

Zonder haar medeweten werden wat kankercellen in de jaren 1950s bij haar weggenomen en sindsdien gebruikt voor wetenschappelijk onderzoek. Omdat kankercellen meesters zijn in het vermenigvuldigen van zichzelf, zelfs op een petrischaaltje, vormen ze vaak ideale cellijnen om mee te werken in het laboratorium.

Bij planten ligt het moeilijker. Wil hun project slagen, moet het Leuvense iGEM-team een goede plantencellijn vinden. De cellen die het team nodig heeft zouden moeten lijken op stamcellen, cellen die zelf niet gedifferentieerd zijn tot een specifieke soort cel, maar nog ‘omnipotent’ zijn. Ze kunnen in principe nog alle soorten cellen worden.

In feite bestaan er een aantal cellijnen die ze kunnen gebruiken, maar die het grote probleem is dat deze geen stamcellen zijn. Ook de nodige informatie over het DNA van deze cellijnen ontbreekt vaak. Sarah Vorsselmans, een ander lid van het iGEM-team, klaagt bijvoorbeeld over een andere cellijn, BY-2. Voor deze cellijn is enkel volledige data over het plantengenoom van 30 jaar geleden, toen de oorspronkelijke lijn gecreëerd werd.

Daarom is een deel van de ambitie van het Leuvense team om een betere cellijn te maken. Slechts als dat niet lukt, zullen ze terugvallen op een van de bestaande, maar minderwaardige cellijnen zoals BY-2. Het is hier dat Dries het verhaal binnenstapt, met zijn zoektocht naar hormonen.

Ondertussen is professor Filip Roland gecontacteerd, in wiens lab we zitten. Die laat weten dat het in vriezer 2 zou moeten liggen. Het gaat om het 1-NAA-hormoon, ook wel bekend als 1-naftaleenazijnzuur. Dat is een groeihormoon voor planten: het stimuleert de celdeling, zonder dat het cellen aanzet tot differentiatie. Het hormoon blijft echter onvindbaar.

Het is niet de eerste keer dat Dries zoiets meemaakt. ‘Het komt voor’, zo stelt hij, ‘dat je bij een protocol met een paar eenvoudige stappen toch plots in de kleine lettertjes ontdekt dat je een extra stof nodig hebt, die niet te vinden is. Die moet je dan bestellen, wat je gerust twee weken wachttijd kan kosten.’

Gelukkig is er nog een alternatief: het hormoon zelf maken. ‘Maken’ betekent hier eigenlijk: de poedervorm waarin het beschikbaar is in de juiste concentratie oplossen in water. Zodra Dries dat voor elkaar krijgt, kunnen we eindelijk de plantencellen laten groeien.

Maar waar halen we de eerste plantencellen die we moeten vermenigvuldigen? Uit de plant zelf. Concreet gaat het om de roze maagdenpalm (Catharanthus roseus), een plant die oorspronkelijk uit Madagaskar komt, maar door de eeuwen ook in Europese huiskamers is terecht gekomen.

Maar een plant is nog geen eencellige. Wat Dries te doen staat is de moeilijke taak deze volwaardige plant te overtuigen zich te gedragen als een eencellige. Op die manier heeft het team voor haar onderzoek geen traag groeiend veld vol maagdenpalmen nodig, maar kan het alle nodige cellen opkweken op een petrischaaltje dat in ieders hand past.

De plant moet ‘gecoacht’ worden tot een weefsel van eencellige, want dat brengt biologen op vertrouwd terrein. Ze weten hoe ze met eencellige moeten omgaan onder de microscoop en in de petrischaal. Dat kunnen ze met een grotere controle en precisie dan met grote en complexe meercellige planten.

Dries kan echter niet met eender welke cellen van de plant aan de slag. Op basis van de plantenkennis die het laboratorium van Roland aanlevert, weet hij waar hij moet zoeken. De gezochte cellen zitten in de stengel, en concreter de buitenste laag ervan.

Juist zoals mensen, hebben ook planten ‘aders’. In feite twee soorten: de grotere die het water uit de bodem naar de bladeren pompen en de fijnere die voedingsstoffen doorheen het heel plantenweefsel transporteren.

Maar waar Dries op jaagt is de laag tussen deze twee aderen, een laag cellen die de keuze tussen beide nog niet gemaakt heeft, en zich daarom nog als ‘stamcel’ gedraagt. Maar om deze cellen te isoleren en op te groeien, moeten er heel wat stappen gebeuren.

Onder een ‘laminaire flow’-kast, die met een luchtstroom andere bacteriën en stoffen op afstand houdt, snijdt Dries eerst de stengel van de plant door midden met een scheermesje. Vervolgens gebruikt hij een fijn pincet om de bovenste laag van de rest te scheiden. Daarna moeten de stalen zorgvuldig gesteriliseerd worden, zonder dat de plantencellen eraan ten onder gaan.

Terwijl ik al mijn camera in de aanslag heb om vast te leggen of het experiment nu geslaagd is of niet, deelt Dries me mee dat we eerst nog een maand moeten wachten. Pas dan kunnen we echt weten of het coachen van plant tot eencellige gelukt is.

Hoewel we enkel moeten wachten, is de weg naar succes toch vol gevaren. Ongeveer iedereen die ik erover spreek, stelt dat de slaagkans van dit deel van het project bijzonder klein is. Niet omdat de plantencellen niet willen groeien, maar omwille van ongenode gasten: andere bacteriën en schimmels die toch mee binnengeglipt zijn in het petrischaaltje.

Op een aantal schaaltjes van enkele dagen geleden zie je inderdaad al schimmels groeien, waardoor ze al weggegooid kunnen worden. Maar als er één staal volhardend blijft groeien, en alle ongenode gasten weet buiten te houden, dan zal het project slagen.

Mocht het slagen, dan bestaat de kans op onsterfelijkheid. Niet enkel voor de reputatie van het iGEM-team, maar vooral voor de cellen zelf. Zoals de HeLa-cellen zich al sinds de jaren 1950 onverstoord blijven reproduceren, zo zou ook deze cellijn kunnen blijven verder leven.

Zo lang zelfs, dat een studententeam uit de toekomst op zijn beurt zou kunnen klagen dat er in geen 30 jaar verder onderzoek naar is gedaan. Om misschien vervolgens de moed te vinden om dan maar zelf aan de slag te gaan.