iGEM 2020 - Team Amsterdam

De Amsterdamse student Kelly Klomp blogt tijdens de iGEM competitie over de doorbraken, worstelingen, hoogte- en dieptepunten die haar team meemaakt in het zoeken van een oplossing om microben beter opschaalbaar te maken voor de industrie, zodat we in de toekomst misschien wel CO2-etende bacteriën kunnen inzetten.

Copyright, iGEM

Lees de blogs van het Team Amsterdam:
Blog 1 | Blog 2 | Blog 3 | Blog 4

Blog 1: Levende, CO2- neutrale fabriekjes

Datum: 03-09-2020

Kelly Klomp werkt in het laboratorium met cyanobacteriën
Kelly Klomp werkt in het laboratorium met cyanobacteriën.

Zonder schuldgevoel met het vliegtuig op vakantie? Als het aan ons ligt is dat in de toekomst mogelijk. Wij, een team van studenten, geloven in deze droom en zijn daarom gestart met een bijzonder project waarin we bacteriën willen inzetten tegen het CO2-probleem. In de komende blogs wil ik jullie graag meenemen in ons project.

Bij de winning van grondstoffen uit aardgas komt CO2 vrij. Dat gas komt terecht in de natuur, waardoor er steeds meer broeikasgassen worden opgebouwd in de atmosfeer. Deze opbouw is een wereldwijd probleem, dus waarom pakken we het niet aan bij de bron? Wij willen bacteriën inzetten als soldaten in de strijd tegen het CO2-probleem. In plaats van gebruik te maken van grondstoffen uit aardolie, willen wij bacteriën gebruiken voor het maken van bijvoorbeeld biobrandstoffen, bioplastics of cosmetica.

Wetenschappers kunnen het DNA van bacteriën dusdanig aanpassen, waardoor deze micro-organismen producten kunnen maken zonder dat er nieuwe CO2 gassen vrijkomen. Om deze CO2-neutrale productie mogelijk te maken, gebruiken we een speciaal soort bacterie: de cyanobacterie. Die verkrijgt zijn energie door fotosynthese, net zoals planten. Het is juist die eigenschap waar we graag gebruik van willen maken om zo de “levende CO2-neutrale fabriekjes” te realiseren.

Het concept van bacteriën als fabriekjes bestaat al sinds de jaren 70, maar productie op grote schaal is nog niet mogelijk. Het maken van een product kost de bacterie energie, waardoor zij minder energie kan stoppen in haar prioriteit: groeien. De bacterie zal een product dat niet nuttig is voor haarzelf op den duur niet meer maken. Het gen voor dit product wordt dan niet meer gebruikt en zal uiteindelijk uit het DNA verdwijnen.

Om dit te voorkomen, hebben wetenschappers een nieuwe methode bedacht: het koppelen van groei aan het maken van een stof. Het maken van deze stof wordt dan essentieel voor de bacterie. Dit zorgt ervoor dat het gen behouden blijft in het DNA. Bacteriën met deze koppeling zijn wel op grote schaal toepasbaar in de industrie. Helaas is deze koppeling tot dusver alleen gelukt bij stoffen die de bacterie van nature al maakte.

Op biotechnologie.nl bloggen vijf Nederlandse teams over hun deelname aan de iGEM competitie. Lees hier meer

Groei koppelen aan het maken van een stof door een bacterie is een ingewikkeld proces. Deze koppeling is uniek per type bacterie en per product. Voor de Internationale Genetische Engineering Competitie (IGEM) ontwikkelen wij een algoritme, een soort van stappenplan voor de computer, dat een strategie berekent om een bacterie te laten functioneren als een fabriekje.

Het algoritme moet straks een strategie kunnen berekenen om elk gewenst product te koppelen aan de groei van de bacterie. Om te groeien, doorloopt de cel een netwerk van verschillende chemische reacties die als bouwblokken dienen voor groei. Ons algoritme voegt een bouwblok toe voor het product en haalt andere bouwblokken weg.

Misschien ben jij net zo verrast als wij op het moment dat wij hoorde over deze toepassing van bacteriën. Wij kunnen in ieder geval niet wachten om dit in de praktijk te brengen. Ik hoop dat jij, samen met ons deze reis samen wilt beleven. Op naar een toekomst waarbij het CO2-probleem geen rol meer speelt.

Blog 2: Lock down aan, lab uit, programmeren aan

Datum: 14-09-2020

Op 23 maart, één week voor de startdatum van ons project, kondigde Rutte de ‘intelligente lock down’ af. Een zware periode volgde waarin teamleden afvielen, er veel onzekerheden waren en de werving van sponsoren ongepast voelde in deze moeilijke tijd. Maar juist daardoor werden we een ijzersterk team. Wij lieten ons niet uit het veld slaan en gingen vastberaden van start met ons project. Doordat labwerkzaamheden (wetlab), niet mogelijk waren tijdens de lock down, concentreerden we ons op ons algoritme (drylab). Maar wat is een algoritme precies en hoe steekt die van ons, de Forbidden FRUITS, in elkaar? En hoe schakel je tussen wet- en drylab?

Op biotechnologie.nl bloggen vijf Nederlandse teams over hun deelname aan de iGEM competitie. Lees hier meer

Het algoritme “Forbidden FRUITS” berekent een strategie om op de computer de bacterie genetisch aan te passen. In plaats van trial en error kunnen wij direct de strategie, bepaald door het algoritme, gebruiken om de CO2-neutrale fabriekjes op te zetten in het lab. Dit scheelt niet alleen tijd in vergelijking met traditionele methoden, maar levert ook op korte termijn inzichten in het functioneren van een levend fabriekje.

Een algoritme is een soort stappenplan voor de computer. Aan de basis staat een programmeur die mensentaal omzet in programmeertaal. Een programmeertaal linkt een serie van tekens aan een serie opdrachten die de computer uitvoert. Elke combinatie heeft een unieke betekenis en daarom vereist programmeren precisie. Een computer kan immers niet zelf invullen wat jij bedoelt. Dat heb ik zelf ook ervaren: de code was bijna af, maar ik bleef een foutmelding krijgen. Wat bleek? Ik was een dubbele punt vergeten. Een klein detail met een groot gevolg, het algoritme werkte niet. Ook bij wetlab is precisie belangrijk. Tijdens de experimenten die we uitvoeren moeten we nauwkeurig werken. Een stap afwijken van het protocol kan leiden tot een mislukt experiment.

Maar hoe zet je een levende cel om in programmeertaal? De genen van de bacterie bevatten de benodigde informatie om eiwitten te maken waarmee chemische reacties tot stand komen. De uitgeschreven genetische code van de bacterie ligt opgeslagen in externe gendatabases. Hierin staat welke genen verantwoordelijk zijn voor welke chemische reactie. Het algoritme gebruikt deze informatie voor de vertaalslag van chemische reactie naar gen. De gendatabases, actuele bronnen, hebben het voordeel dat ze de nieuwste inzichten bevatten. Het nadeel is dat de informatie in de database niet altijd correct is. Daardoor zijn wij afhankelijk van deze bron. Ook in het lab zijn we afhankelijk van de bron, in dit geval de geleverde kwaliteit van producten. Stel, het geleverde gen bevat een mutatie, dan zal het gen mogelijk niet tot uiting komen of een andere reactie uitvoeren.

Met ons project willen we bacteriën een bepaalde stof laten maken in hun cel. Ons algoritme koppelt de reactie om die de stof te maken, aan reacties die noodzakelijk zijn voor de groei van de bacterie. Deze koppeling zorgt voor een stabiele productie waardoor de toepasbaarheid van deze bacteriefabriekjes op grote schaal mogelijk wordt. Visualiseer dit groeinetwerk als een wegenkaart, waarbij je via verschillende wegen van locatie A naar B kunt verplaatsen. De toegevoegde productiereactie kun je zien als een nieuwe weg. De meeste mensen zullen kiezen voor de snelste route van A naar B, ditzelfde geldt voor de bacterie. Zij zal de weg van de minste weerstand gebruiken.

Infographic wegennet in een bacterie
De chemische processen in een bacterie kun je vergelijken met een wegennet. Door bepaalde wegen (genen) te blokkeren, dwingen we de bacterie om de productieroute te doorlopen die wij willen.

Het maken van een product gaat ten koste van de energie die bedoeld is voor de groei, daarom zal de bacterie niet voor de productieroute kiezen. Door andere wegen (genen) te blokkeren, dwingen we de bacterie om de productieroute te doorlopen. Wanneer het algoritme de stratenkaart verkeerd vertaalt, worden de genen aan de verkeerde reactie gekoppeld en maakt de bacterie niet de gewenste stof. Zo’n zelfde situatie kennen we van experimenten in het lab waarbij we een stap in een protocol overslaan. Bijvoorbeeld een essentiële voedingsstof vergeten te geven aan de bacteriën. Dat zal leiden tot een langzaam groeiende of zelfs een niet levensvatbare populatie.

In een labjas door het lab rennen en experimenten uitvoeren, of programmeren achter de computer. Twee totaal verschillende methoden en ervaringen dachten we eind maart. Maar beide vereisen precisie, zijn afhankelijk van de input en van een geschikt stappenplan. De coronacrisis heeft ons geleerd dat wet- en drylab in bepaalde opzichten toch vergelijkbaar zijn. Wie had dat gedacht?

Blog 3: iGEM team Amsterdam gaat voor goud

Datum: 20-10-2020

Wordt het goud, zilver of toch brons voor iGEM Amsterdam? Tijdens de competitie kunnen wij een medaille winnen voor ons project. De medailles zijn een beloning voor de energie die we in ons project hebben gestopt. De medailles, met ieder hun eigen criteria, bouwen op elkaar voort. Onderwerpen waar de jury ons op beoordeelt, zijn onder andere: onze teamwebsite en een marktonderzoek voor het product of het inlichten van de medemens op het gebied van biotechnologie. Natuurlijk gaan we voor niets minder dan goud. Hoe? In deze blog vertel ik je over een aantal onderdelen waaraan wij werken om die gouden medaille binnen te slepen.

Dennis van iGEM team Amsterdam begeleidt een van de experimenten in Micropia.
Dennis van iGEM team Amsterdam begeleidt een van de experimenten in Micropia.

Voor het behalen van de gouden medaille hebben wij gekozen om extra aandacht te besteden aan marktonderzoek van ons computerprogramma. Een biotechnologiebedrijf zoals Photanol, dat gespecialiseerd is in het gebruik van levende fabriekjes, zou natuurlijk baat hebben bij ons algoritme. Na diverse interviews met meerdere bedrijven kwamen we tot de conclusie dat bioplastics en biobrandstoffen producerende bedrijven toekomst zien in ons product, terwijl voedselproducten geen interesse hebben.

Waarom hebben voedselbedrijven geen interesse? Zij willen niet geassocieerd worden met genetische modificatie omdat consumenten vaak terughoudend zijn als het op genetische modificatie aankomt. Denk hierbij aan genetisch aangepast voedsel voor de dieren in de vleesindustrie. Om dit op te helderen, toetsen we door middel van een enquête of de term genetische modificatie een negatieve associatie heeft. Wij presenteren de resultaten van dit onderzoek in een artikel. Het artikel gebruiken wij ter ondersteuning van marktonderzoek van ons algoritme.

Op biotechnologie.nl bloggen vijf Nederlandse teams over hun deelname aan de iGEM competitie. Lees hier meer

Kennis is er om te delen, dat is een standpunt dat wij beamen. Als team hebben we besloten dat we willen investeren in meer bekendheid van de toepassing van de bacterie in strijd tegen het klimaatprobleem. Samen hebben we een aantal ideeën bedacht om dit te bereiken. Wij kwamen onder andere op het idee om online workshops over genetische modificatie te organiseren. Samira en Vicky hebben in een serie van drie workshops deelnemers meegenomen in de huidige ontwikkelingen van genetisch gemodificeerde organismen (GGO’s). Wat zijn GGO’s, wat zijn de toepassingen en hebben GGO’s ook gevaren? Deze vragen en meer werden behandeld in de workshop. Bekijk een ervan hieronder (in het Engels):

Naast online, geven we ook offline workshops in het licht van ons project. Bacteriën hebben in ons project de hoofdrol, daarom dachten wij direct aan Micropia, een museum gewijd aan micro-organismen. Na meerdere mailtjes over en weer naar Micropia kwam het verlossende antwoord: wij, iGEM Amsterdam, organiseren tijdens de herfstvakantie inloopworkshops. Hoe gaaf is dat! Na dit bericht zijn wij direct het lab ingedoken om een aantal ideeën voor deze workshop uit te werken. Door middel van kleine experimenten leren de deelnemers over ons project in kleine stapjes. Eerst maken ze kennis met fotosynthese, in de volgende stap leren ze welke producten onze bacteriën maken en tot slot over de toepasbaarheid van deze stoffen. Deze workshop is leerzaam voor jong en oud.

Een petrischaaltje met het werkende bestanddeel van aspirine: acetylsalicylzuur.
Een petrischaaltje met het werkende bestanddeel van aspirine: acetylsalicylzuur. Dit is een stof die de aangepaste bacterie van het iGEM team Amsterdam maakt.

De kennis die wij hebben opgedaan tijdens ons project is open toegankelijk op onze website te vinden. Op de site kan je bijvoorbeeld onze gebruikte protocollen voor lab werkzaamheden en het verslag van de survey in zien. Een internetpagina opzetten (een wiki), is een verplicht onderdeel voor het behalen van een medaille. De wiki is als een Wikipediapagina, het bevat alle ins en outs van het project. We begonnen met vrijwel lege pagina’s, dus voor het design van de pagina’s kunnen wij met onze creativiteit aan de slag. Alles wat we bedenken zouden wij erop mogen en kunnen zetten. Helaas had niemand van ons team ervaring met het coderen van een website. Gelukkig bieden filmpjes over maken van een internetpagina een mooie uitkomst. Gedurende het project zullen wij nieuwe pagina’s toevoegen aan onze wiki.

Al deze onderdelen samen vormen de benodigde bestanddelen die gebruikt kunnen worden voor het opstarten van een bedrijf. Sterker nog, vanuit een aantal iGEM project zijn daadwerkelijk bedrijven ontstaan. De start van de iGEM competitie is dus niet alleen de start van een prachtig project, maar kan ook het begin zijn van een nieuwe onderneming.

Blog 4: Waar de competitie stopt, gaat het project door

Datum: 17-12-2020

Een zilveren medaille voor team Amsterdam! En toch was er een lichte teleurstelling voelbaar onder mijn teamgenoten. Ons project, waarin we bacteriën nuttige stoffen laten maken, heeft een belangrijke waarde voor de verduurzaming van de industrie en kan daarmee bijdragen aan een oplossing voor het klimaatprobleem. De mate van impact van dit project en de hoeveelheid energie die we in dit project hebben gestopt, rijmt volgens ons niet met een zilveren mediale. Wij blijven in ons project geloven.

Aan onze voorbereidingen heeft het niet gelegen. Voorafgaand aan de finale bedachten we een strategie om ons project zo interessant, maar vooral zo simpel en gestructureerd mogelijk te verwoorden. Onze poster straalt eenvoud en structuur uit. Daarnaast bedachten we een strategie om gestructureerd vragen te beantwoorden tijdens de jurering. Ik, Kelly, werd quizmaster en gaf aan wie de vraag mocht beantwoorden. Steeds nadat een jurylid een vraag stelde, vouwde de teamleden hun handen in elkaar als zij een antwoord hadden op de vraag, zodat ik hen kon uitnodigen om de vraag te beantwoorden. Dit worp zijn vruchten af zowel tijdens de jurysessie als tijdens de postersessies. De jury was binnen korte tijd door alle vragen heen.

Hoewel we de jury ondanks onze voorbereiding niet konden overtuigen, blijven we zelf wel geloven in ons project. Waar de competitie stopt, gaan wij door. In de komende maand zullen Dennis, Joris en ik de laatste genetische aanpassingen maken in de bacterie. Dennis werkt bijvoorbeeld aan de volledige uitschakeling van een gen, waardoor onze bacterie alleen nog groeit zolang ze de zoetstof mannitol maakt. Joris voegt ondertussen een gen toe aan de poepbacterie E. coli, waardoor die bacterie melkzuur gaat maken.

Op biotechnologie.nl bloggen vijf Nederlandse teams over hun deelname aan de iGEM competitie. Lees hier meer

De bacteriën waaraan ik momenteel werk, heeft tot nu toe de grootste succesfactor. Die bacteriën maken straks lactaat terwijl ze groeien. Tijdens de afgelopen maanden probeerde ik drie genen uit te schakelen. De laatste resultaten laten zien dat nu ook het derde en laatste gen uit staat.

Dit laatste gen is essentieel voor de groei van de bacterie en zonder dit gen moet de bacterie een nieuwe manier vinden om te groeien. Ons algoritme voorspelde dat de bacterie dan groeit via de productie van lactaat. Dat noemen we een groeikoppeling. Het derde gen uitschakelen was een grote doorbraak: ik ben de eerste persoon ter wereld die dat gelukt is. Dit is goed nieuws voor het project. Het toont aan dat zo’n essentiële groeikoppeling mogelijk is.

Na acht maanden hard werken aan dit project is de tijd rijp om verder te gaan met onze studies. Helaas zullen de benodigde vervolgstappen te veel tijd in beslag nemen om dit binnen korte tijd af te ronden. Daarom zullen wij ons project overdragen aan onze begeleiders. Persoonlijk blijf ik betrokken bij het project, maar ik zal slechts enkele uren per week aan het project besteden. Mijn teamgenoten beginnen binnenkort aan hun eindstage. Dit is het einde van een prachtige periode, waarin we vriendschappen en netwerken hebben opgebouwd en veel nieuwe kennis hebben opgedaan. Wij zien een toekomst waarin de levende CO2-neutrale fabriekjes een belangrijke en duurzame rol spelen om het leven van de moderne mens én de planeet te ondersteunen.