Het hacken van DNA

Onderstaande informatie lezend kan men zich afvragen
of men ook een DNA match in een onderzoek  nog kan vertrouwen….. 


Samenvatting van een artikel van www.theatlantic.com

Door Andrew Hessel, Marc Goodman en Steven Kotler

In 2008 verschenen er informele DNA-design wedstrijden met kleine prijzen; in 2011, met de lancering van GE’s $100 miljoen borstkanker challenge, ging men over op serieuze wedstrijden. Tegen 2015, toen gepersonaliseerde gentherapie voor terminale kanker de medische avant-garde werd, verschenen er virusdesign websites waar mensen informatie konden uploaden over hun aandoening en virologen designs konden zetten voor customized genezing. Medische gesproken was dat allemaal heel zinnig: de natuur had eeuwenlang uitstekend designwerk gedaan op virussen. Met wat bijschaven waren dat ideale media voor het uitzetten van genen.

Al snel liepen deze sites over van verzoeken die allang niet meer over kanker gingen. Diagnostica, vaccins, antimicrobieel, zelfs designer psychoactieve middelen, alles kwam aan de orde. Wat de mensen met deze bio-designs deden wist niemand. Er was geen internationale instantie om toezicht te houden.

Sedert het begin van deze eeuw vertoont de zich steeds sneller ontwikkelende technologie een duidelijk tendens het onmogelijke in geen tijd te veranderen in iets alledaags. Vorig jaar begreep Watson, een kunstmatige intelligentie van IBM, natuurlijke taal voldoende om de menselijke kampioen Ken Jennings te verslaan met Jeopardy. Terwijl wij dit schrijven komen soldaten met bionische ledematen terug uit actieve dienst en rijden er autonome auto’s door onze straten. Maar de meeste van deze ontwikkelingen zijn nietig vergeleken met de grote stap voorwaarts die gaande is in de biowetenschappen, een stap met gevolgen die we nog maar nauwelijks kunnen bevatten.

Als je echt wilt snappen wat er in de biowetenschappen gaande is, moet je een idee hebben van de snelheid waarmee de informatietechnologie vooruitgang boekt. In 1965 realiseerde Gordon Moore zich dat het aantal geïntegreerd-circuit componenten op een computerchip elk jaar min of meer verdubbelde sinds de uitvinding van het geïntegreerd circuit eind jaren 50. Moore, medeoprichter van Intel, voorspelde dat de trend “minstens 10 jaar” zou aanhouden. Hij had gelijk. De trend hield 10 jaar aan, en daarna nog 10 jaar. Al met al bleef zijn opmerking vijftig jaar correct, en werd zo duurzaam dat hij nu bekend staat als “Moore’s Law” en door de halfgeleiderindustrie wordt gebruikt als leidraad voor de planning van de toekomst.

Moore’s Law stelde oorspronkelijk dat elke 12 maanden (nu elke 24 maanden), het aantal transistors op een geïntegreerd circuit zal verdubbelden, een voorbeeld van een patroon bekend als “exponentiële groei.” Lineaire groei is een langzame, ononderbroken propositie (1 wordt 2 wordt 3 wordt 4, enz.), exponentiële groei is een explosieve verdubbeling (1 wordt 2 wordt 4 wordt 8, enz.) met een transformerend effect. In de jaren 70 was de krachtigste supercomputer van de wereld een Cray. Hij vulde een kleine kamer en kostte circa $8 miljoen. Tegenwoordig is de iPhone in je zak meer dan 100 maal sneller en meer dan 12.000 maal goedkoper dan een Cray. Dat is een mooi staaltje van exponentiële groei.

In de jaren na Moores opmerking ontdekten wetenschappers dat het patroon van exponentiële groei voorkomt in veel andere industrieën en technologieën.

De hoeveelheid gegevensverkeer via internet in een jaar, het aantal bytes computer dataopslag verkrijgbaar per dollar, het aantal digitale-camera pixels per dollar, en het aantal gegevens dat per optische vezel kan worden overgebracht behoren tot de vele maten van technologische vooruitgang die dit patroon volgen. De exponentiële groei is zo alom aanwezig dat researchers nu denken dat het voorkomt in alle informatie-gebaseerde technologie, dat wil zeggen alle technologie gebruikt voor input, opslag, process, ophalen of overbrengen van digitale informatie.

De afgelopen tientallen jaren ontdekten wetenschappers ook dat de vier letters van het genetische alfabet, A (adenine), C (cytosine), G (guanine) en T (thymine), kunnen worden omgezet in binaire enen en nullen voor eenvoudige, elektronische manipulatie van genetische informatie. Met deze ontwikkeling is de biologie een andere kant op gegaan, in de richting van een informatie-gebaseerde wetenschap en boekt exponentiële vooruitgang. Met als gevolg dat de fundamentele hulpmiddelen van genetic engineering, hulpmiddelen bestemd voor het manipuleren van leven, hulpmiddelen die gemakkelijk voor destructieve doeleinden gebruikt kunnen worden, nu radicaal goedkoper en krachtiger worden. Tegenwoordig kan iedereen met een wetenschapsknobbel, een goede internetaansluiting en voldoende geld om een tweedehands auto te kopen biohacken.

Het begon allemaal te veranderen in 1998, toen de ondernemende bioloog J. Craig Venter met zijn bedrijf Celera ging deelnemen aan de race. Venter trok voordeel uit de exponentiële groei in de biotechnologie en maakte in minder dan twee jaar tijd met behulp van een nieuwe generatie gensequencers en een nieuw computer-intensieve benadering genaamd shotgun sequencing om een concept menselijk genoom (zijn eigen), voor $300 miljoen.

Venters prestatie was verbazend; maar dat was slechts het begin. Tegen 2007, maar zeven jaar later, kon een menselijk genoom voor minder dan $1 miljoen worden gesequenced. In 2008 deden sommige labs het voor $60.000, en in 2009 voor $5000. Dit jaar lijkt dat onder de $1000 grens te komen. Met deze snelheid zullen de kosten binnen vijf jaar onder de $100 komen te liggen. In de geschiedenis van de wereld is geen enkele andere technologie zo zeer in prijs gedaald en in prestatie gestegen.

De extreme verlegging van de grenzen van de biologie roept een onaangename vraag op: hoe hoed je je voor dreigingen die nog niet bestaan? Genetic engineering staat aan het begin van een nieuw tijdperk. Het oude tijdperk behoorde tot DNA sequencing, wat gewoon het lezen van een genetisch code is, identificatie en betekenis aflezen uit de ordening van de vier chemische stoffen waaruit DNA bestaat. Maar nu leren we hoe we DNA moeten schrijven, en dat biedt grootste en angstwekkende mogelijkheden.

Ook hier hielp Craig Venter weer de verandering tot stand te brengen. Midden jaren 90, net voordat hij begon met het menselijk genoom te lezen, vroeg hij zich af hoe je er een zou kunnen schrijven. Hij wilde weten hoe het minimale genoom dat nodig is voor leven eruit zag. Dat was een goede vraag. Toen was DNA-synthese technologie te grof en te duur om ook maar te denken aan het schrijven van een minimale genoom voor leven, of, voor onze zaak, een verfijnd biowapen. En gensplitstechnieken, het lastig klusje van enzymen gebruiken om het bestaande DNA los te maken van een of meer organismen en het weer aan elkaar te zetten, waren te onpraktisch voor die taak.

Exponentiële vooruitgang in de biotechnologie heeft deze problemen enorm verkleind. Met de nieuwste technologie, bekend als synthetische biologie, of synbio, verschuift het werk van moleculair naar digitaal. Genetische codes worden gemanipuleerd met de equivalent van een tekstverwerker. Met een druk op de knop kan code vertegenwoordigende DNA moeiteloos worden geknipt en geplakt van een soort naar een ander. Het kan worden hergebruikt en anders gebruikt. DNA-bases kunnen nauwkeurig worden uitgewisseld. En als de code goed lijkt? Dan druk je op Verzenden. Zo’n dozijn DNA print shops kunnen deze bits nu in biologie omzetten.

In mei 2010 beantwoorde Venter met de behulp van deze nieuwe hulpmiddelen zijn eigen vraag door ‘s werelds eerste synthetische zelfvermeerderende chromosoom te maken. Hiertoe gebruikte hij een computer om een nieuwe bacteriële genoom te ontwerpen (van meer dan 1 miljoen basisparen in totaal). Toen het ontwerp gereed was, mailde hij de code naar Blue Heron Biotechnology, een bedrijf in de buurt van Seattle, gespecialiseerd in de synthese van DNA uit digitale blueprints. Blue Heron nam Venters A’s, T’s, C’s, en G’s en stuurde een hele serie buisjes terug met diepgevroren plasmide DNA. Net zoals je een operatingsysteem in een computer laadt, laadde Venter het synthetische DNA in een bacteriële gastcel die was ontdaan van zijn eigen DNA. De cel begon snel eiwitten te genereren, of, om de computerterm te gebruiken die tegenwoordig populair is bij biologen, hij ‘booted up’: hij begon te metaboliseren, te groeien en, het allerbelangrijkste, te splitsen, volledig op grond van het geïnjecteerde DNA. Een cel werd twee, twee werden vier, vier werden acht. En elke nieuwe cel had alleen de synthetische instructies van Venter. Voor praktische doeleinden was het een heel nieuwe levensvorm, virtueel gemaakt vanaf het begin. Venter noemde de cel de “eerste zelf-vermeerderende soort op aarde waarvan de ouder een computer is”.

Maar Venter bleef slechts aan de oppervlakte. Door steeds lager wordende kosten en toenemende technische vereenvoudiging kunnen synthetisch biologen met leven spelen op een manier die we tot nu toe niet voor mogelijk hadden gehouden. In 2006 zette Jay D. Keasling, biochemisch ingenieur aan de Universiteit van California, Berkeley, 10 synthetische genen in elkaar van genetische blueprints van drie verschillende organismen om een nieuwe gistsoort te maken die de precursor voor het middel tegen malaria, artemisinine, kan maken, waarvan er een natuurlijke voorraad in overvloed is. Onderwijl werkt Venters bedrijf Synthetic Genomics in partnership met ExxonMobil aan een designer alge die koolstofdioxide eet en biobrandstof uitscheidt; zijn spin-off bedrijf Synthetic Genomics Vaccines tracht griepvaccins te maken die binnen uren of dagen kunnen worden aangemaakt in plaats van in zes maanden zoals nu het geval is. Solazyme, een synbio bedrijf in San Francisco, maakt biodiesel met ge-engineerde micro-algen. Materiaalwetenschappers sluiten zich bij de actie aan: DuPont en Tate & Lyle hebben bijvoorbeeld gezamenlijk een zeer doeltreffend en milieuvriendelijk organisme ontworpen dat maissuiker eet en propanediol uitscheidt, een stof gebruikt voor heel wat consumptiegoederen, van cosmetica tot reinigingsproducten.

Bill Gates zei onlangs in een interview tegen een journalist
dat als hij nu klein was hij geen computers zou hacken: maar biologie.

Andere synthetisch biologen spelen met meer fundamentele celmechanismen. De in Florida gevestigde Foundation for Applied Molecular Evolution heeft twee bases (Z en P) toegevoegd aan de traditionele vier van het DNA en zo het genetisch alfabet uitgebreid. Op Harvard jaagde George Church de ontwikkeling verder aan met zijn Multiplex Automated Genome Engineering proces, dat willekeurig onmiddellijk meerdere genen uitwisselt. In plaats van een voor een nieuwe genomen te maken, maakt MAGE miljarden varianten in een paar dagen tijd.

En omdat synbio DNA-design synthese en assembleren makkelijker maakt, gaan we nu al over van aanpassen van de bestaande genetische designs tot vorming van nieuwe organismen, soorten die nog nooit eerder op aarde voorkwamen, soorten die volledig uit onze verbeelding voortspruiten. Daar we de omgeving waarin deze organismen gaan leven kunnen beheersen, zaken aanpassen zoals temperatuur, druk en voedingsbronnen en elimineren van concurrenten en anders stress, kunnen binnenkort ook creaturen maken die dingen kunnen die onmogelijk zijn in de ‘natuurlijke’ wereld. Stel je voor, organismen die kunnen leven op het oppervlak van Mars, of enzymen die gewone koolstof in diamanten of nanotubes kunnen veranderen. De ultieme grenzen van de synthetische biologie zijn moeilijk vast te stellen.

Dit alles betekent dat onze interacties met biologie, die al gecompliceerd zijn, nog heel wat problematischer gaan worden. De code van verschillende soorten mengen of nieuwe organismen maken zou wel eens onbedoelde gevolgen kunnen hebben. En zelfs in laboratoria met hoge veiligheidsstandaards gebeuren ongelukken. Als die ongelukken een lek betreffen, kan wat vandaag een ongevaarlijke laboratoriumbacterie morgen een ecologische ramp worden. In een synbio rapport door de Presidential Commission for the Study of Bioethical Issues stond te lezen: “Ongecontroleerd vrijkomen kan in theorie leiden tot ongewenste cross-breeding met andere organismen, ongecontroleerde proliferatie, verdringing van bestaande soorten en bedreiging van biodiversiteit.”

Net zo zorgelijk als een biofout is de dreiging van bioterreur. Hoewel de bacterie die Venter maakte in essentie ongevaarlijk is voor mensen, kunnen dezelfde technieken worden gebruikt om een bekend pathogeen virus of bacterie te maken of, erger nog, een dodelijker versie ervan. Virussen zijn bijzonder makkelijk synthetisch te maken, een feit dat duidelijk werd in 2002, toen Eckard Wimmer, viroloog aan Stony Brook University, het poliogenoom chemisch te produceren met postorder DNA. In die tijd kostte de 7500-nucleotide synthese ongeveer $300.000 en een paar jaar tijd. Tegenwoordig kost een dergelijke synthese maar een paar weken tegen een prijs van een paar duizend dollar. Als die trend zich voortzet kost het tegen 2020 een paar minuten en circa $3. Regeringen over de hele wereld hebben miljarden uitgegeven om polio uit te bannen; stel je de schade voor die terroristen zouden kunnen aanrichten met een pathogeen van $3.

Tegenwoordig brengen twee trends hier verandering in. De eerste begon in 2004, toen de International Genetically Engineered Machine (iGEM) wedstrijden werden gelanceerd bij MIT. In deze wedstrijd bouwen teams high-school en college studenten eenvoudige biologische systemen van gestandaardiseerde, onderling uitwisselbare delen. Deze gestandaardiseerde delen, ook bekend onder de naam BioBricks, zijn stukjes DNA code, met duidelijk begrensde structuren en functies, die gemakkelijk aan elkaar kunnen worden gezet in nieuwe combinaties, zo’n beetje als genetische Legoblokken. iGEM verzamelt deze designs in het Registry of Standard Biological Parts, een open-source database van downloadbare BioBricks toegankelijk voor iedereen.

Virussen zijn heel erg makkelijk synthetisch te maken.
In 2002 maakte Eckard Wimmer het poliogenoom van postorder DNA.

In de loop der jaren hebben iGEM teams niet alleen de technische grenzen verlegd maar ook de creatieve grenzen. Tegen 2008 ontwierpen studenten organismen met real-world toepassingen; de wedstrijd werd dat jaar gewonnen door een team uit Slovenië voor het designer vaccin tegen Helicobacter pylori, de bacterie verantwoordelijk voor de meeste zweren. De grote winnaar van 2011, een team van de University of Washington, voltooide drie aparte projecten, die stuk voor stuk de resultaten van academici van wereldklasse en de biofarmaceutische industrie naar de kroon staken. Teams hebben bacteriële cellen in van alles omgezet, van fotofilm tot hemoglobine-producerende bloedvervangers tot miniatuur hard drives, compleet met datacodering.

Het iGEM onderzoek heeft zich verder ontwikkeld, en het niveau van deelname ook. In 2004 droegen vijf teams 50 potentiële BioBricks voor aan het register. Twee jaar later droegen 32 teams 724 delen voor. Tegen was het aantal bij iGEM exponentieel gestegen tot 130 teams en 1863 delen, en de database van het register bevatte meer dan 5000 componenten. Volgens The New York Times:

iGEM heeft een hele generatie van ‘s werelds slimste wetenschappelijke geesten voorbereid op de visie van de synthetische biologie, zonder dat iemand het doorhad, nog voordat de openbare discussie en reguleringen die typisch paal en perk stellen aan een dergelijke riskante en ethisch controversiële nieuwe technologieën.

(iGEM zelf vraagt van studenten te letten op ethische of veiligheidsissues, en moedigt openbare discussie over deze kwesties aan.)

De tweede trend is de vooruitgang die terroristische en misdaadorganisaties hebben geboekt op het gebied van zo ongeveer alle informatietechnologie. Sinds het begin van de digitale revolutie zijn sommige vroegtijdige gebruikers schurken gebleken. Telefoonfreaks zoals John Draper ontdekten in de jaren 70 dat via AT&T’s telefoonnetwerk gratis bellen mogelijk was met behulp van een plastic fluitje dat je gratis bij ontbijtgranen krijgt. Begin jaren 80 werden de eerste desktop computers ontwricht door een slim assortiment computervirussen als kwaadaardige grap, en in de jaren 90 voor informatiediefstal en financiële winst. Rond 2000 werden zogezegd onkraakbare cryptografische algoritmen van creditcards gekraakt en smartphones besmet met malware. Op grotere schaal werden out-of-service aanvallen steeds destructiever en legden alles lam, van individuele websites tot enorme financiële netwerken. In 2000 lukte het “Mafiaboy”, een Canadese high-school student, in zijn eentje om de websites van Yahoo, eBay, CNN, Amazon en Dell plat te leggen of te vertragen.

De historische trend is duidelijk: elke keer als er nieuwe technologieën op de markt komen volgen de onrechtmatige gebruikers al snel op de rechtmatige. Er komt een zwarte markt. Dus gaan misdadigers en terroristen, net zoals ze veel andere vormen van technologie hebben gebruikt, zich vast snel werpen op de synthetische biologie, de nieuwste digitale grens.

DNA synthese technologie boekt grote vooruitgang en binnenkort wordt het mogelijk om bijna elk virus waarvan de DNA sequence is gedecodeerd te maken … en ook kunstmatige microbes die niet in de natuur voorkomen. Deze groeiende vaardigheden om leven te maken op moleculair niveau brengt het risico met zich mee van het gemakkelijk ontwikkelen van nieuwe en dodelijker biologische wapens.

Kwaadwillende niet-overheidspelers zijn niet het enige gevaar. Veertig landen hosten nu synbio research, waaronder China. Het Beijing Genomics Institute, opgericht in 1999, is de grootste genoom-researchorganisatie ter wereld, en sequenct het equivalent van ongeveer 700.000 menselijke genomen per jaar. (In een recent artikel in Science beweerde BGI meer sequencing capaciteit te hebben dan alle Amerikaanse labs samen.) Afgelopen jaar, toen men bezorgd was tijdens een E. coli uitbraak in Duitsland, dat de ziekte een nieuwe, zeer dodelijke stam was, sequencte BGI de boosdoener in slechts drie dagen. Even in verhouding, SARS, de dodelijke longontstekingvariant die wereldwijd paniek zaaide in 2003, werd gesequenced in 31 dagen. En BGI lijkt op het punt te staan verder te gaan dan DNA sequencing en een van de meest vooraanstaande DNA synthesizers te worden.

Om een biowapen te bouwen zouden levende cellen het echte doelwit worden (hoewel dode cellen voldoende zouden kunnen zijn over tien jaar). Deze zijn lastiger te verkrijgen. Een haar is bijvoorbeeld dood, maar als die haar een follikel bevat, bevat hij ook levende cellen. Een monster van vers bloed of speeksel, of zelfs een keer niezen in een weggegooide tissue zou voldoende zijn. Deze levende cellen kunnen worden gekweekt voor een voortdurende voorraad researchmateriaal.

Volgens ons is het niet meer een kwestie van ‘zou kunnen’. De ontwikkelingen in de biotechnologie veranderen het wetenschappelijke landschap radicaal. We gaan naar een wereld binnen waar de verbeeldingskracht de enige rem is op de biologie, waar toegewijde mensen nieuw leven vanaf het begin af aan kunnen scheppen. Tegenwoordig is bij een lastig probleem het veelgehoorde refrein: Daar is een appje voor. Eerder dan je denkt komt er een app die wordt vervangen door een organisme als we denken over oplossingen voor veel problemen. In het licht van deze komende synbio revolutie is samenwerking op bredere schaal tussen wetenschappers en veiligheidsorganisaties nodig, een open exchange, voortdurende samenwerking en crowd-sourced bescherming; waarschijnlijk is dat de enige manier om mensen te beschermen. 

Andrew Hessel is lid van de faculteit en voormalig covoorzitter bioinformatica en biotechnologie aan de Singularity University, en fellow aan het Institute for Science, Society, and Policy aan de Universiteit van Ottawa. Marc Goodman onderzoekt de impact van geavanceerde technologie op de wereldveiligheid, adviseert Interpol en de Amerikaanse overheid. Hij is oprichter van hetFuture Crimes Institute en Chair Policy, Law & Ethics aan Singularity University, Silicon Valley. Steven Kotler is best-selling auteur bij The New York Times en award-winning journalist.

 

Bron: http://www.theatlantic.com/magazine/archive/2012/11/hacking-the-presidents-dna/309147/?single_page=true