Door een geraffineerde combinatie van twee optische onderzoekstechnieken kunnen wetenschappers nu duizenden dna-variaties tegelijk onderzoeken. Dat betekent een enorme versnelling in genetisch en biologisch onderzoek.
Carolien Bastiaanssen bij de fluorescentiemicroscoop. (Foto: Thijs van Reeuwijk)
In eerste instantie is hun publicatie in het wetenschapsblad Science goed nieuws voor moleculair biologen in het lab omdat ze met de nieuwe technologie veel meer verschillende moleculen en dna-varianten kunnen screenen op hun eigenschappen. De Delftse senior onderzoeker prof.dr. Chirlmin Joo (faculteit Technische Natuurwetenschappen, TNW) zei daarover in het persbericht: “We verwachten dat toepassingen in genetisch onderzoek, medicijnontwikkeling en biotechnologie zich binnen de komende vijf tot tien jaar zullen beginnen af te tekenen.”
Dna, rna en eiwitten zijn de belangrijkste spelers in de cellen van ons lichaam. Om het functioneren van deze moleculen te begrijpen, moet je weten hoe hun ruimtelijke structuur afhangt van hun sequentie.
‘Traditionele technieken kosten meestal uren per sequentie’
Delta sprak met dr.ir. Carolien Bastiaanssen, tweede auteur na dr.ir. Ivo Severins die momenteel in Zuid-Korea verblijft. Beiden zijn werkzaam op de faculteit TNW. Bastiaanssen vertelt dat er ruim vierduizend verschillende dna-volgorden tegelijk zijn gescand. Elke bouwsteen in het dna kan één van vier mogelijke waarden hebben (A,C,T of G), dus een tussenstukje van zes basen kent 46 = 4.096 variaties. “Om die allemaal te scannen duurde vijf dagen. Met conventionele technologie zou dat jaren gevergd hebben”, aldus Bastiaanssen. Zo’n dramatische versnelling is het dus.
“Traditionele technieken waarmee één sequentie tegelijk kan worden onderzocht, kosten meestal uren per sequentie. Met Sparxs kunnen we miljoenen moleculen binnen een dag tot een week meten”, aldus Chirlmin Joo. Sparxs is de sprankelende naam van deze nieuwe technologie en staat voor ‘Single-molecule parallel analysis for rapid exploration of sequence space’, waarbij de laatste term een aanduiding is van een groot aantal dna-variaties.
De twee technieken die de biofysici hebben samengebracht zijn single-molecule fluorescentie en next generation sequencing (NGS).
Met single-molecule fluorescentie zijn veranderingen in de structuur van verschillende dna-moleculen onder de microscoop te volgen dankzij fluorescerende labels waarmee de moleculen gemarkeerd zijn. Door verschillende lasers te gebruiken en diverse labels zijn moleculen individueel te volgen. Het is een prachtige techniek, maar je kunt er maar één variatie per keer mee bestuderen.
Next generation sequencing is een dna-analyse methode die in 2008 werd ontwikkeld en die inmiddels miljoenen verschillende dna-volgorden tegelijk kan lezen. Dit in tegenstelling tot een gebruikelijke dna-lezer die één dna-streng tegelijkertijd leest. Ook de next generation sequencing werkt met fluorescente labels. In dit geval laten de labels zien welke nucleotide zich hecht aan een streng. Uit de kleur van de fluorescentie is die informatie af te lezen. En dat voor miljoenen dna-strengen tegelijkertijd, als evenzovele gekleurde lichtpuntjes in het duister.
‘Het kostte een jaar om te bepalen of het combineren van de twee technieken haalbaar is’
Beide technieken werken met microscopie, lasers en fluorescente markers. Het was dus niet zo’n gek idee om de verschillende technieken te combineren, maar om zover te komen was verre van eenvoudig. “Het kostte een jaar om te bepalen of het combineren van de twee technieken haalbaar is en nog eens vier jaar om een werkende methode te ontwikkelen”, vertelt Joo. “En daarna nog eens twee jaar om de nauwkeurigheid en consistentie van de metingen te garanderen.”
Voor hun artikel in Science produceerden de onderzoekers 4.096 verschillende dna-sequenties en bepaalden of en hoe snel die wisselden tussen twee mogelijke structuren. Dat was om Sparxs te demonstreren. Nu die technologie er is, liggen er tal van praktische en nuttige toepassingen open. De onderzoekers noemen als voorbeelden: interactie tussen dna of rna en eiwitten, en screening van eiwitten of van chemische stoffen.
“Ze hebben op heel mooie ingenieuze manier next generation sequencing gecombineerd met single molecule fluorescence”, vindt moleculair biofysicus professor Wouter Roos (Rijksuniversiteit Groningen) die niet bij het onderzoek betrokken was. “Ik verwacht dat we de komende jaren meer publicaties hierover zullen zien. Van andere groepen die het ook gaan proberen. Maar ik kijk ook altijd of de groep zelf ermee doorgaat. Als ze met nieuwe artikelen komen waarin ze verbeteringen bekendmaken, dan laat dat zien dat ze er zelf in geloven. En dan volgen andere groepen meestal wel.”
Heb je een vraag of opmerking over dit artikel?
j.w.wassink@tudelft.nl
Comments are closed.