Detectiemethodes voor DNA kunnen eenvoudiger
Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam hebben een verklaring gevonden voor het gedrag van colloïden die bedekt zijn met enkelvoudige DNA-ketens. Men gebruikt deze systemen om genen en mutaties in genen te detecteren. Dit soort colloïden kunnen zich namelijk binden aan enkelvoudige DNA-fragmenten, die complementair zijn aan de fragmenten op de colloïden. Deze complementaire fragmenten blijken zich in bepaalde opzichten te gedragen als exotische quantumdeeltjes. De resultaten van het onderzoek maken het mogelijk om bestaande detectiemethodes voor DNA te vereenvoudigen. De onderzoekers publiceren de resultaten in de Physical Review Letters van 13 februari 2004.
Nanodeeltjes en DNA
Colloïden zijn deeltjes met afmetingen van enkele nanometers (één nanometer is éénmiljoenste millimeter) tot enkele micrometers (één micrometer is éénduizendste millimeter), die afhankelijk van een aantal eigenschappen van de deeltjes en de oplossing, zoals temperatuur, zuurgraad, type deeltje en type oplossing, wel of niet blijven zweven in de oplossing. De colloïden waar dr. Dima Lukatsky en prof.dr. Daan Frenkel onderzoek naar deden, zijn van een nieuw type met op het oppervlak enkelvoudige DNA-ketens.
DNA, het materiaal waarin erfelijke informatie is vastgelegd, is opgebouwd uit vier typen nucleotiden: adenine (A), thymine (T), guanine (G) en cytosine (C). Adenine en thymine zijn complementair, en cytosine en guanine ook. Twee enkelvoudige DNA-ketens kunnen samen een dubbele helix vormen als de nucleotiden in de twee ketens complementair zijn. Als de ketens niet perfect complementair zijn, doordat er bijvoorbeeld op één plaats een andere nucleotide zit, vormen ze minder makkelijk een dubbele helix.
Zie ook http://www.accessexcellence.org/AB/GG/.
Een enkelvoudige streng DNA, waarvan de volgorde van de bouwstenen bekend is, kan men dus gebruiken om heel specifiek andere stukjes enkelvoudig DNA uit een oplossing te binden: als de strengen op slechts één punt verschillen, passen ze minder goed in elkaar. De binding is dan minder sterk: dit maakt dat ze bij een lagere temperatuur uit elkaar vallen dan de strengen die wel precies complementair zijn. Als voldoende opgeloste DNA-ketens zich binden aan het DNA op de colloïden, zorgt dat ervoor dat de colloïden samenklonteren. Het optreden van deze klontering is gemakkelijk te detecteren met behulp van optische technieken. Colloïden bedekt met DNA vormen zo een selectieve en gevoelige detectiemethode om enkelvoudige DNA-ketens die precies passen te scheiden van ketens met afwijkingen, mutanten genoemd (bijvoorbeeld ten gevolge van een puntmutatie, waardoor op één plaats een nucleotide niet complementair is).
Fasescheiding
In verband met de toepassingsmogelijkheid om DNA te detecteren is er veel experimenteel onderzoek gedaan naar het gedrag van dit soort colloïden. Als de oplossing met daarin colloïden en enkelvoudige DNA-ketens afgekoeld worden, ontstaan bij een bepaalde temperatuur twee fasen met verschillende dichtheid. Eén van deze twee fasen gedraagt zich als een gel doordat de DNA-ketens de colloïden onderling verbinden. Onderzoekers in de Verenigde Staten bestudeerden onder andere de invloed van het aantal DNA-ketens op het oppervlak (de bedekkingsgraad), de grootte van de colloïden, en de zoutconcentratie in de oplossing, op de temperatuur waarbij deze faseovergang optreedt.
Modelleren van DNA-bedekte colloïden
Lukatsky en Frenkel hebben een eenvoudige theorie opgesteld om het fase-gedrag van nanodeeltjes bedekt met DNA-fragmenten in een oplossing met enkelvoudige DNA-ketens te beschrijven. Bij de theoretische beschrijving van deze colloïden maken de onderzoekers gebruik van een verrassende analogie tussen het gedrag van de DNA-fragmenten die de bindingen vormen tussen de colloïden en de statistiek van bosonen en fermionen. Bosonen en fermionen zijn twee klassen van deeltjes. Atomen en moleculen - maar ook andere deeltjes - kunnen zich gedragen als fermionen of bosonen. Geen twee fermionen kunnen zich in dezelfde quantumtoestand bevinden. Voor bosonen geldt deze beperking niet. Afhankelijk van het aantal bindingen dat met de enkelvoudige DNA-ketens mogelijk is tussen de colloïden, beschrijven de Amsterdammers de bindingssterkte met behulp van de statistiek voor fermionen of bosonen, of met een statistiek die tussen deze twee limieten in ligt. Dat wil zeggen dat de DNA-fragmenten zich gedragen als deeltjes waarvan er ten hoogste een eindig aantal (groter dan één) in één quantumtoestand kunnen zitten.
De voorspellingen van deze theorie komen goed overeen met de experimenten: de temperatuur waarbij fasescheiding optreedt neemt toe als de colloïden met meer DNA bedekt zijn en als de concentratie zouten in de oplossing toeneemt. De scherpte van de faseovergang hangt af van de bedekkingsgraad van de colloïden. Dit heeft te maken met het feit dat het ontmengen van de deeltjes voornamelijk het gevolg is van een entropisch effect dat sterker wordt naarmate de bedekkingsgraad van de colloïden hoger is.
Screenen van DNA
Op basis van hun resultaten stellen Lukatsky en Frenkel een methode voor om DNA-mutanten te onderscheiden op een manier die minder gevoelig is voor variaties in de experimentele condities. Stel een oplossing bevat gelijke hoeveelheden van drie types colloïden, A, B en C, alledrie bedekt met enkelvoudige ketens DNA. Het DNA op de deeltjes B en C verschilt slechts één nucleotide. Het te detecteren DNA in de oplossing past óf precies op dat van de deeltjes A en B, óf op dat van de deeltjes A en C.
Als we nu een oplossing met te detecteren DNA-ketens toevoegen, zullen deze ketens zich binden aan de colloïden. Er zullen twee verschillende vloeistoffasen ontstaan, afhankelijk van het type DNA-ketens in de toegevoegde oplossing. Door nu het concentratieverschil te bepalen van colloïden van het type B en C in beide fasen, kunnen we in een enkele meting bepalen welk type DNA zich in de oplossing bevond. Met de conventionele technieken waren twee metingen (onder identieke experimentele condities) nodig. Door toevoegen van meer typen colloïden zouden onderzoekers zo in één experiment verschillende mutaties in het DNA kunnen detecteren.
De bovengenoemde colloïden zijn niet alleen handig om DNA te detecteren. De systemen zijn ook interessant vanwege hun ongebruikelijke fysische eigenschappen. De mogelijkheid bestaat nu om mengsels van verschillende componenten te maken, waarin de interacties tussen elk paar componenten onafhankelijk kan worden 'geschakeld'. De fysische eigenschappen (fasegedrag, structuur, dynamica) van dergelijke complexe vloeistoffen zijn vrijwel geheel onverkend. Het is dan ook de bedoeling dat de Amsterdamse onderzoekers, aansluitend aan het theoretische onderzoek, in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en Edinburgh University in Groot-Brittannië, starten met experimenteel onderzoek aan deze colloïdale systemen.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met prof.dr. Daan Frenkel, FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica AMOLF in Amsterdam, telefoon (020) 608 12 34.