Onderzoekers willen DNA verzamelen van 2 miljoen soorten: de ark van Noach voor genen
Onderzoekers hadden 13 jaar nodig om ons DNA in kaart te brengen. Nu willen ze in tien jaar een enorme bibliotheek aanleggen van het genetisch materiaal van alle dieren, schimmels en planten. Dit ambitieuze project leert ons meer over de evolutie en kan bedreigde soorten redden.
Het gejubel was niet van de lucht toen in 2003 eindelijk ons hele genoom in kaart was gebracht. In 13 jaar had het Human Genome Project de bijna 3 miljard genetische letters waaruit ons genoom bestaat, geïdentificeerd.
Maar hoe groot die mijlpaal ook was, de lat ligt inmiddels een stuk hoger.
Onderzoekers willen nu het complete DNA van wel 2 miljoen organismen verzamelen en analyseren.
Dit Earth BioGenome Project zal in de loop van tien jaar het genetisch materiaal van alle complexe levensvormen op aarde, de zogeheten eukaryoten, optekenen.
De overvloed aan genetische gegevens zal niet alleen het volledige overzicht geven van de evolutie van dieren, planten en schimmels – het zal ook helpen bij het behoud van bedreigde soorten.
Zuurstof geeft leven een kans
Eukaryoten hebben een celkern met DNA, genetisch materiaal, en mitochondriën om energie te produceren.
De eerste eukaryoten ontstonden zo’n 2,7 miljard jaar geleden – rond de tijd dat zuurstof verscheen in de dampkring.
Omdat de mitochondriën zuurstof gebruiken voor de productie van energie, werden de eukaryoten gevoed door de verhoogde zuurstofniveaus, en toen dit gehalte in de buurt kwam van het huidige, kwam het leven pas echt op gang.
Het leven werd steeds geavanceerder
Van kleine, primitieve organismen tot complexe dieren, schimmels en planten, de stamboom van eukaryoten is zich al ruim 2 miljard jaar aan het vertakken.
2,7 miljard jaar geleden:
Eukaryoten ontstaan
De eukaryoten ontstonden 2,7 miljard jaar geleden. Kleine cellen nestelden zich in grote cellen, die celafval omzetten in energie. Deze kleine cellen kennen we nu als mitochondriën, die in alle eukaryoten energie produceren.
2 miljard jaar geleden:
Zuurstof voedt de evolutie
Mitochondriën hebben zuurstof nodig, en toen het zuurstofgehalte in de atmosfeer steeg, ging de ontwikkeling van eukaryoten snel. Circa 2 miljard jaar geleden ontstonden meercellige organismen in zuurstofrijk, ondiep water.
1 miljard jaar geleden:
Schimmels bereiden de aardbol voor
De eerste geavanceerde eukaryoten waren schimmels die in riviermondingen leefden. Een miljard jaar geleden begonnen ze gesteente af te breken en voedingsstoffen af te geven. Zo kregen de volgende eukaryoten een kans.
700-500 miljoen jaar geleden:
Landplanten schieten wortel
Circa 700 miljoen jaar geleden ontstond het plantenleven in de oceaan en 200 miljoen jaar later bezetten planten het land in de vorm van mossen. Landplanten wortelden dankzij voedingsstoffen die vrijkwamen uit schimmels.
541-485 miljoen jaar geleden:
Het aantal diersoorten explodeert
Tijdens de zogeheten Cambrische explosie ontstonden veel nieuwe diersoorten – zoals de eerste gewervelde dieren (kleine vissen). De oorsprong van de zoogdieren is terug te voeren tot het trias, 225 miljoen jaar geleden.
Het aantal eukaryoten is de afgelopen 600 miljoen jaar explosief toegenomen en inmiddels omvat de groep miljoenen zeer verschillende levensvormen, van schimmels tot ligusterhagen en olifanten.
Uit berekeningen blijkt dat de planeet de thuisbasis is van meer dan 9 miljoen soorten eukaryoten. Tot nu toe heeft de wetenschap er echter maar zo’n 2 miljoen geïdentificeerd en benoemd, en van nog geen procent daarvan is ook het DNA in kaart gebracht.
Maar het Earth BioGenome Project kan daar nu verandering in brengen.
Genproject brengt al het leven in kaart
In een wereldwijd onderzoeksverband van vele instituten in Europa, China en de VS zal het genetisch materiaal – ofwel het genoom – van alle eukaryoten in kaart worden gebracht. In tien jaar tijd zullen onderzoekers de circa 2 miljoen bekende soorten opsporen en er DNA uit halen.
Het Earth BioGenome Project heeft kleine diertjes verzameld op de berg Beinn Eighe in Schotland. Een van de dieren was een Diana-uil, een nachtvlinder waarvan het DNA is afgenomen.
Bij het project zijn 44 instellingen uit 22 landen betrokken, en er zijn banden met 49 andere projecten die ook genomen in kaart brengen.
Een daarvan, het Vertebrate Genomes Project, heeft als doel om de genomen van alle 70.000 soorten dieren met een ruggengraat in kaart te brengen, en een ander, de Darwin Tree of Life, tekent alle eukaryoten in Groot-Brittannië op.
13 jaar duurde het voor ons genoom in 2003 in kaart was gebracht. Nu maar 5 uur.
Tot voor kort was het idee om al het DNA van bijna 2 miljoen soorten in tien jaar in kaart te brengen onvoorstelbaar, maar terwijl het in 2003 nog 13 jaar duurde, kan nieuwe technologie ons hele genoom in slechts vijf uur sequencen.
En de technologie is niet alleen beter, maar ook veel goedkoper geworden.
Terwijl het in 2003 nog 4,5 miljard euro kostte, is het nu voor nog geen 1000 euro gepiept. Rekening houdend met de inflatie zal het Earth BioGenome Project naar verwachting minder kosten dan het Human Genome Project.
Het is nu dus goedkoper om 2 miljoen genomen in kaart te brengen dan 20 jaar terug om één genoom in kaart te brengen.
Ontdekkingen rijzen de pan uit
Terwijl de wetenschappers van het Earth BioGenome Project de soorten opsporen, nemen ze weefselmonsters af, waaraan ze DNA onttrekken.
Het genetisch materiaal in de cellen bestaat uit DNA-strengen die opgebouwd zijn uit vier basen die adenine, cytosine, guanine en thymine worden genoemd, ook wel afgekort tot de letters A, C, G en T.
De onderzoekers bepalen de volgorde van de letters heel nauwkeurig met een sequencingmachine en brengen zo het unieke genoom van de organismen in kaart. Vervolgens worden alle genomen geüpload naar een digitale bibliotheek.
DNA van 2 miljoen organismen wordt afgenomen
1. DNA van soorten wordt verzameld
Onderzoekers uit 22 landen reizen de wereld rond om weefselmonsters te verzamelen van alle bekende soorten eukaryoten. Daaruit wordt het DNA geëxtraheerd, geïsoleerd en gezuiverd, en via de techniek PCR wordt de hoeveelheid DNA vergroot.
2. Sequencing leest het genoom
Het DNA wordt dan in een sequentiemachine ingevoerd waar de volgorde van de genetische letters A, C, T en G in de DNA-strengen wordt afgelezen. Elke letter heeft een eigen kleur, waardoor de volgorde makkelijker te decoderen is.
3. Digitale bibliotheek vindt unieke kenmerken
De genomen worden geüpload naar een digitale bibliotheek. Onderzoekers kunnen ze dan vergelijken om genen en mutaties te identificeren die vergelijkbaar zijn in totaal verschillende organismen óf soorten juist unieke eigenschappen geven.
Vandaag de dag kennen we slechts het volledige genoom van enkele organismen – waaronder muizen, ratten, fruitvliegen en wormen – en zij dienen als model voor het meeste biologische onderzoek. Maar hoewel onderzoek op deze paar soorten veel interessante details aan het licht heeft gebracht, is het slechts een fractie van de ware diversiteit van de natuur.
Veel grote ontdekkingen zijn gedaan bij soorten waarnaar weinig onderzoek is gedaan. Zo vond Gregor Mendel het principe van erfelijkheid door erwten te bestuderen, en geslachtschromosomen zijn voor het eerst ontdekt bij kevers.
4,5 miljard euro kostte het in 2003 om het menselijk genoom in kaart te brengen. Nu nog geen 1000 euro.
De bibliotheek van 2 miljoen genomen zal vooral nieuwe inzichten verschaffen in de oorsprong en evolutie van dieren en planten. Wetenschappers kunnen leren hoe eukaryoten functioneren en op elkaar inwerken en wat families, geslachten en soorten van elkaar onderscheidt.
Vergelijkingen van genomen hebben al laten zien dat soorten die heel anders lijken, veel meer gemeen hebben dan je zou denken. Analyses laten bijvoorbeeld zien dat 60 procent van de genen van de fruitvlieg ook bij de mens voorkomt, en dat wij 96 procent van ons DNA gemeen hebben met chimpansees.
Veel biochemische basisprocessen in het hele dierenrijk zijn vergelijkbaar. Dezelfde genen zorgen er bijvoorbeeld voor dat ionen in en uit zenuwcellen gaan en de elektrische stromen tot stand brengen die informatie overbrengen, of dat nu bij mensen of krekels is.
Het wordt nog interessanter als we ons verdiepen in de gebieden waar de genomen van elkaar verschillen.
Dierlijke genomen zitten vol verrassingen
Primaten zien kleuren
Het zoeken naar kleurrijke vruchten werd veel makkelijker toen primaten een kopie van het LSW-gen ontwikkelden, dat extra lichtreceptoren op het netvlies vormt. Dankzij de kopie kunnen primaten rood en groen van elkaar onderscheiden.
Mutaties camoufleren de ijsbeer
In tegenstelling tot andere beren hebben ijsberen mutaties in de genen LYST en AIM1, die coderen voor de kleur van de vacht. De mutaties blokkeren de genen, zodat er geen pigment wordt aangemaakt: de vacht is wit en biedt camouflage in de sneeuw.
Speeksel verandert in gif
Het dodelijke gif van gifslangen is het resultaat van mutaties in eiwitten en enzymen in hun speeksel. SVSP’s zijn krachtige gifstoffen die nauw verwant zijn aan callicreïne, een enzym dat in menselijk speeksel voorkomt.
In 2021 ontdekten onderzoekers uit China en Denemarken de geheimen van de lange nek van de giraf – een eigenschap die speciale aanpassingen vereist.
De giraf heeft bijvoorbeeld een zeer hoge bloeddruk nodig om bloed naar de hersenen te krijgen, en zijn botten zijn de snelst groeiende in het dierenrijk.
Een vergelijking met het genoom van 50 andere herkauwers, zoals de ‘neef’ van de giraf, de okapi met de korte nek, bracht 490 genvarianten aan het licht die uniek zijn voor de giraf. Veel daarvan hebben te maken met botgroei en bloeddruk. Zo hebben giraffen een unieke variant van het gen FGFRL1, dat ze beschermt tegen orgaanletsel door een hoge bloeddruk.
De giraf heeft een speciale variant van het gen FGFRL1, dat de organen beschermt tegen een hoge bloeddruk.
Dergelijke ontdekkingen geven niet alleen inzicht in de evolutie van de lange nek van de giraf, maar ook in de manier waarop hart- en vaatziekten bij mensen te behandelen en voorkomen zijn.
Met 2 miljoen genomen zullen we de geheimen van genen als nooit tevoren kunnen ontsluieren, wat kan leiden tot een schat aan nieuwe ontdekkingen.
Genen tonen verloop van de evolutie
Zo willen onderzoekers graag achterhalen welke veranderingen in genomen de weg vrijmaakten voor meercellige organismen en de natuur zo divers maakten. Dit zou bedreigde soorten kunnen redden.
Veel organisaties waarschuwen voor catastrofale verliezen van ecosystemen en biodiversiteit en onderzoekers denken dat we momenteel midden in de zesde massasterfte van de planeet zitten.
Volgens het Wereld Natuur Fonds zijn de gewervelde dierenpopulaties op aarde – waaronder vissen, reptielen en zoogdieren – sinds 1970 met 69 procent afgenomen. En uit gegevens van de International Union for Conservation of Nature blijkt dat 28 procent van de onderzochte flora en fauna met uitsterven wordt bedreigd.
Een van de belangrijkste doelen van het Earth BioGenome Project is daarom iets te leren over alle genomen waaruit de bedreigde ecosystemen bestaan en over de interacties daartussen. Zo kunnen we organismen identificeren die cruciaal zijn voor het functioneren van ecosystemen en ze verplaatsen naar nieuwe habitats.
Via fokprogramma’s zijn we populaties van ernstig bedreigde soorten al aan het heropbouwen, maar door de programma’s te baseren op de genetische gegevens van afzonderlijke individuen kunnen we beter gezonde nakomelingen met een goede overlevingskans fokken.
De digitale bibliotheek van 2 miljoen genomen zal dus functioneren als een moderne versie van de ark van Noach vol met belangrijke genetische informatie die bedreigde soorten en ecosystemen in de toekomst kan beschermen.