Voel dat DNA eens trekken

Behoedzaam beweegt Lemay in het nauwe laboratorium tussen de opstellingen. Op de zware metalen tafels achter zwarte metalen schotten staan lenzen, spiegeltjes en prisma’s pijnlijk nauwkeurig uitgelijnd. De minste verstoring kan maanden werk teniet doen. Dit is de opstelling waarmee de groep van moleculaire biofysica (Technische Natuurwetenschappen) een onderzoek van wereldklasse heeft afgerond. Ze hebben laten zien dat als je een DNA-streng door een piepklein gaatje met diameter kleiner dan 50 nanometer (miljoenste millimeter) laat gaan, dat dan de kracht op het DNA-molecuul groter wordt naarmate het gaatje kleiner is. Het DNA zelf heeft een diameter van 2 nanometer.
“Het is echt een mechanische weerstand die we voelen”, legt Lemay uit. Aan weerszijden van het nanogaatje bevindt zich water waarin zoutionen en DNA-strengen zijn opgelost. Over het gaatje staat een elektrische spanning van 10 tot 100 millivolt. Het elektrische veld dat daardoor ontstaat, oefent een kracht uit op het negatief geladen DNA-molecuul. Wanneer dat door het gaatje floept – onderzoekers zien dat doordat de elektrische stroom iets toeneemt en gelijktijdig een kraaltje dat aan het DNA bevestigd zit een beetje beweegt – wordt het tegengehouden, zodat de DNA-sliert in het gat blijft steken.
“Hoeveel kracht is daarvoor nodig?”, vraagt Lemay. “Je zou denken de lading van het DNA, vermenigvuldigd met de kracht van het elektrisch veld. Maar dat is niet zo. Het is niet zo obvious”.
Elektrostatische krachten alleen kunnen niet verklaren waarom de kracht groter wordt bij een nauwer gat. Lemay bedacht een theoretische verklaring van dit verschijnsel dat in 2006 voor het eerst opgemerkt werd: “Het negatief geladen DNA trekt positieve ionen uit de vloeistof naar zich toe, zodat het door een wolk van tegenionen omgeven wordt.” De totale lading is dan nul. Maar als de DNA-streng door het gat steekt, trekt het elektrische veld de DNA-streng de ene kant op (maar die zit vast) en de positieve ionen de andere kant. Het netto- effect is een stroming met een profiel van enkele nanometers dik dat langs de stilstaande DNA-streng door het nanogat stroomt. Bij een smal gat (met een straal kleiner dan tien nanometer) is de kracht op het DNA groter dan bij een breder gat. Die kracht wordt gemeten met een zogenaamd lichtpincet. DNA-moleculen zijn daartoe bevestigd aan een microscopisch kraaltje, dat gevangen gehouden wordt in het brandpunt van een hoogintensiteit laser. De lichttang blijkt elastisch: uit de uitwijking van het kraaltje is de kracht erop af te leiden.
De groep had nanogaatjes in verschillende diameters en lichtpincetten beschikbaar. Desondanks heeft het een paar jaar geduurd voordat Lemay en zijn collega’s zijn theorie konden testen. Prof.dr. Cees Dekker leverde als hoofd van de groep de nanopores, prof.dr. Nynke Dekker droeg bij uit haar ervaring met dit soort instrumentatie, dr.ir. Ulrich Keyser bouwde als postdoc de opstelling en ir. Stijn van Dorp studeerde af op de uitvoering. De grafiek in Nature Physics, het resultaat van metingen met zes verschillende nanopores, in afmeting variërend tussen tien en honderd nanometer, toont een mooie overeenstemming met de theorie; hoe nauwer het gat, hoe groter de kracht.
Zelf ziet Lemay het onderzoek als zijstapje in de ontwikkeling van een moleculair biofysisch instrumentarium. “Als je die kracht gebruikt, wil je ook weten waar die vandaan komt”, verklaart Lemay.
“De paper in Nature Physics betreft bioanalyse op het niveau van een enkel DNA-molecuul”, licht Cees Dekker toe. “We hebben een unieke opstelling ontwikkeld die het mogelijk maakt om lokaal krachten uit te oefenen op een willekeurige plek langs een DNA-molecuul. Zo kunnen we de kracht voelen om een RNA-molecuul te openen, dat als een soort haarspeldvorm in elkaar gekruld zit”. Zo is Dekkers groep weer een stap verder gekomen in het begrip van hoe een cel nu eigenlijk werkt.

Serge G. Lemay et al. ‘Origin of the electrophoretic force on DBNA in solid-state nanopores’, Nature Physics, 29 maart 2009

De eerste stap naar een thermometerbacterie is gezet. Een groepje Delftse studenten ontwierp DNA dat van de huis-, tuin- en keukenbacterie Escherichia coli (E.coli, deze bacterie komt bij zoogdieren voor in de dikke darm, red.) een minithermometer moet maken. Ze slaagden er vorige week in het DNA in de bacterie te plaatsen.

In theorie geeft de biothermometer het enzym luciferase af als zijn omgeving warmer wordt dan 27 graden Celsius. De bacterie produceert veel minder luciferase dan een vuurvliegje, dat door de stof duidelijk oplicht in het donker. Maar met wat extra apparatuur is het licht wel zichtbaar. Of de bacterie doet wat de ontwerpers van hem willen, testen ze volgende week. De studenten werken nog aan bacteriën die luciferase zullen produceren bij 32 en bij 37 graden.

Uiteindelijk willen de studenten dat de bacterie rood kleurt als zijn omgeving een bepaalde temperatuur overschrijdt. Met het blote oog zou dan zichtbaar zijn dat het in een reactorvat plaatselijk te warm is. Het is lastig om de temperatuur in grote vaten constant te houden in het hele volume, maar het is wel van belang voor de kwaliteit van het eindproduct, zoals bij het produceren van omegavetzuren voor boter. “Maar voor die rode kleur moeten we nog een flink aantal stappen zetten”, zegt Ruud Jorna (25, student life science and technology). “We zijn al heel blij als het ons lukt om het DNA voor de thermometerfunctie te fabriceren en te laten werken.”
Jorna en zijn teamgenoten doen mee aan de iGEM-competitie (international Genetically Engineered Machine), een jaarlijkse wedstrijd van het Amerikaanse Massachusetts Institute of Technology (MIT). Ze zijn, samen met een team studenten uit Groningen, de eerste Nederlandse deelnemers ooit. In de wedstrijd knutselen studenten met DNA om als een ingenieur organismen te construeren die een taak kunnen uitvoeren. Temperatuur meten, de aanwezigheid van cyanide signaleren of een biobrandstof produceren bijvoorbeeld.

Het doel van de initiatiefnemers is een soort uitgebreide openbare bibliotheek te maken met standaard stukjes DNA. “Het idee is dat je op lange termijn met die stukjes DNA, BioBricks geheten, een bacterie kunt ontwerpen die doet wat je wilt”, vertelt begeleider Domenico Bellomo (Technische Natuurwetenschappen en Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica). “Maar het is nog niet zo ver, biologische systemen zijn erg complex.” De studententeams gebruiken de bouwstenen en vullen ze aan.
Het Delftse team ontwierp zelf een stuk DNA dat de bacterie gevoelig moet maken voor temperatuur. Voor de variant die bij 37 graden in actie komt, hoefden ze een natuurlijk stuk DNA maar iets aan te passen. Voor de biothermometer voor 27 en 32 graden was meer ontwerpwerk nodig. Een bedrijf maakte die bouwstenen voor hen, waarna de studenten het – met vele uren precisiewerk in het laboratorium – met de iGEM-bouwstenen tot een geheel plakten. Vorige week hadden ze twee kolonies bacteriën met de genen die ze bij 27 graden licht moeten laten geven.

http://2008.igem.org/Team:TUDelft