Meer inzicht in DNA-reproductie

Elektrotechnicus Karel Strasters is er als eerste in geslaagd op basis van DNA-structuur twee stadia in de celontwikkeling – G1 en G2 – zodanig te karakteriseren dat ze van elkaar te onderscheiden zijn. Hij maakte daarbij gebruik van de confocale microscoop, die driedimensionale beelden kan opnemen, waaraan als driedimensionale datasets in de computer gerekend kan worden. Over twee weken zal Strasters zijn proefschrift verdedigen. Zijn onderzoek kan een eerste stap zijn om meer inzicht te krijgen in het mechanisme van de DNA-reproductie.

Elk organisme kan enkel in leven blijven bij de gratie van het continu delen van de cellen, waaruit hij is opgebouwd. Cellen zijn hoogst georganiseerde eenheden die in voortdurende strijd moeten leven met een vijandige omgeving. En in die strijd trekt de individuele cel altijd aan het kortste eind. De enige manier voor een organisme om letterlijk te overleven is derhalve het aanmaken van nieuwe cellen met een snelheid die even groot is als waarmee er cellen afsterven en dat gebeurt door celdeling.

Voordat een cel zich daadwerkelijk in tweeën kan splitsen, zal al het erfelijke materiaal in de cel zich moeten verdubbelen. Dit erfelijke materiaal is het DNA, deoxyribonucleinezuur, dat de instructies bevat hoe alle organische bestanddelen moeten worden opgebouwd om de cel te laten functioneren. Het DNA moet zich dus verdubbelen en daarvoor moet materiaal de cel worden binnengehaald. Hoe dat precies gebeurt, is niet bekend.

Tot nu toe is het meeste onderzoek aan cellen gericht op de delingsfase zelf, hoewel die maar tien procent van het celleven beslaat. De rest van zijn leven verkeert de cel zich in de zogeheten ‘interfase’. Deze is onderverdeeld in twee ‘Gap’-fases, waarover – zoals de naam al doet vermoeden – niet veel bekend is. Tussen de twee Gap-fases (G1 en G2) in is nog de synthesefase, waarin er materiaal de cel binnen wordt gehaald en georganiseerd. Daarmee wordt het DNA verdubbeld.
3D-beeldverwerking

Met ‘gewone’ microscopen die van driedimensionale objecten een tweedimensionaal plaatje geven, is er van de hele interfase niet meer te zien dan een wolk materiaal. Pas in de delingsfase die erop volgt condenseert het DNA uit en is dat met die middelen ook te zien. Het is aan 3D-beeldverwerkingstechnieken zoals de confocale microscoop, en aan krachtige computers te danken dat er nu wel meer informatie is te verkrijgen over de interfase en dat heeft Strasters gedaan.

Strasters, die met zijn onderzoek over twee weken de doctorstitel hoopt te krijgen, keek met name naar de ontwikkeling van het DNA. Hij gebruikte een kleurstof die zich bindt aan het DNA-molecuul en die bij belichting lichtuitzendt van een andere golflengte dan het ingestraalde licht. De hoeveelheid opgevangen licht geeft dan informatie over de hoeveelheid aanwezig DNA. Met de confocale microscoop is het mogelijk om een object laagje voor laagje te bekijken en ruimtelijk gezien dus informatie te krijgen waar veel of weinig DNA aanwezig is.

In de interfase zal materiaal moeten worden aangesleept om het DNA zich te laten verdubbelen. Volgens Strasters moet er een verband zijn tussen de structuur van het aanwezige materiaal en het transport van nieuw materiaal. Met dat idee is Strasters gaan rekenen met een bereikbaarheidsmodel. ,,Hoe meer DNA ergens aanwezig dus hoe lichter mijn beeld van die plek, des te moeilijker is zo’n plek bereikbaar voor ander materiaal. Dat moet zich tussen al het ander materiaal door een weg vinden.”
Kengetalletjes

Maar Strasters wilde verder dan het vergelijken van beelden. ,,Ik wilde de essentie van de patronen in kengetalletjes vangen en dat is gelukt in drie getalletjes: de object onbereikbaarheid, de relatieve object onbereikbaarheid en de object inhomogeniteit.”

Strasters voerde als sluitstuk van zijn onderzoek een experiment uit met honderd cellen, waarvan vijftig in de G1-fase en vijftig in de G2. Hij bepaalde van de honderd cellen de drie kengetalen en zette ze uit in 3D-grafiek en zag een significant verschil tussen de G1- en de G2-groep. ,,Dat er verschil is tussen die twee fases, is nog niet eerder aangetoond op grond van DNA-structuur en dat kan ons in de toekomst meer duidelijkheid verschaffen over de manier waarop de reproductie van het DNA plaatsvindt. Dat vind ik ook het leuke van dit onderzoek, dat je na alle rekenwerk weer terug bent in de werkelijkheid met een concreet resultaat.”

Het moet inderdaad heel wat denk- en rekenwerk geweest zijn om alle problemen de baas te blijven. Zo moest Strasters er voor zorgen dat geen informatie verloren ging bij het omzetten van signalen in computergegevens. Ook moest hij verkregen beelden restaureren, omdat altijd beeldvervaging optreedt. Hij moest corrigeren voor het feit dat naarmate materiaal dieper in het object zit, het minder licht geeft. Strasters heeft het kunnen oplossen met medewerking van de twee groepen, waar hij gedurende vijf jaar werkte: de patroonherkenningsgroep van de Faculteit Technische Natuurkunde en de moleculaire cytologie groep van de faculteit Biologie in Amsterdam. En de kennis van 3D-beeldverwerkingstechnieken is weer wat vergroot.