Bewegingen van afzonderlijke sterk verdraaide DNA-moleculen direct gemeten
Onderzoekers van het Kavli Institute of Nanoscience van de Technische Universiteit Delft hebben, in samenwerking met collega's van de Columbia University in New York en met financiële steun van de Stichting FOM en NWO, de bewegingen van afzonderlijke DNA-moleculen die door een overmaat aan verdraaiing vol lussen zijn komen te zitten, voor het eerst in detail bestudeerd. Dit levert een volledige en kwantitatieve beschrijving van de dynamica van DNA-moleculen op. Het onderzoek is naar verwachting van groot belang om beter te begrijpen hoe dergelijke lusvorming in levende cellen ongedaan wordt gemaakt. DNA vol lussen leidt tot fouten bij celdeling en tot aandoeningen van cellen. De onderzoekers publiceren hun resultaten op 17 juli 2007 in de Proceedings of the National Academy of Sciences (USA).
Het DNA-molecuul heeft de vorm van een dubbele wenteltrap, die door baseparen met elkaar is verbonden. De wenteltrap maakt elke 10,5 baseparen een volledige draai. Als er torsie op het molecuul wordt uitgeoefend, kan de draaiing te groot worden en doet het DNA-molecuul op een gegeven moment denken aan een schoenveter die te vaak is opgewonden: de veter klapt om tot lussen. In het vakjargon heet het DNA dan supercoiled. In levende cellen bestaat er een ingewikkeld evenwicht tussen processen als verdubbeling (replicatie) en transcriptie van DNA die torsie opwekken (zie figuur 1) en de werking van gespecialiseerde eiwitten (of enzymen) als topoisomerases die te sterke windingen uit DNA kunnen halen door het DNA gecontroleerd te knippen en te plakken (zie ook Tollen met DNA). De bewegingen van het DNA zijn een belangrijk aspect van het proces dat lusvorming ongedaan kan maken. De onderzoekers in Delft kunnen de beweging van een los 'supercoiled' DNA-molecuul 'live' meten en dat geeft belangrijke kwantitatieve informatie over de dynamica van DNA.
DNA in de tang
De experimenten in Delft zijn mogelijk doordat de onderzoekers afzonderlijke DNA-moleculen klem kunnen zetten tussen een glazen oppervlak en een magnetisch bolletje. Op die bolletjes kunnen de onderzoekers met behulp van twee magneetjes krachten uitoefenen. Door de magneten te draaien kunnen de onderzoekers het DNA naar believen zo verdraaien dat de lussen van de 'supercoiled' toestand ontstaan. In nieuwe experimenten hebben de onderzoekers nu bovendien een laser toegevoegd waarmee ze het magnetische bolletje kunnen vangen en naar wens verplaatsen, bijvoorbeeld naar het oppervlak toe. Wanneer ze vervolgens de laser uitzetten, beweegt het magnetische bolletje plotseling weer terug naar zijn oorspronkelijke positie. Op die manier kunnen de onderzoekers het ingeklemde DNA-molecuul dus opeens een zetje geven en kijken hoe snel de lussen verdwijnen. In aanverwante experimenten lieten de onderzoekers de laser uit, maar voegden ze een enzym toe dat een van de twee DNA-strengen op een specifieke plaats doorknipt. Dit was een alternatieve manier om alle lussen uit het DNA te laten verdwijnen, wat andermaal af te leiden was uit de waarneming dat het DNA-molecuul na de ingreep van het enzym langer werd.
Snelle veranderingen
De metingen aan de ingeklemde DNA-moleculen in de twee verschillende experimenten blijken heel goed beschreven te kunnen worden met een eenvoudig theoretisch model waarin de belangrijkste veronderstelling is dat de interne bewegingen in het DNA-molecuul zeer snel verlopen. Of het DNA nu door torsie wel of geen lussen bevat, blijkt nauwelijks uit te maken. Als het DNA de ruimte heeft om 'zich uit te rekken', dan verloopt de ontwinding mét lussen vrijwel even snel als zonder lussen. De experimenten hebben een duidelijk beeld opgeleverd van de bewegingen van DNA als er geen gebonden eiwitten op het DNA aanwezig zijn. In vervolgexperimenten gaan de onderzoekers nauwkeurig kijken of de bewegingen van DNA veranderen als deze eiwitten wel aanwezig zijn.
Meer informatie bij dr. Aurélien Crut, telefoon (015) 278 35 52, of dr. Nynke Dekker, telefoon (015) 278 32 19.
Referentie:
'Fast dynamics of supercoiled DNA revealed by single-molecule experiments', Aurélien Crut, Daniel Koster, Chris Wiggins, Ralf Seidel en Nynke Dekker, Proc. Nat. Acad. Sci. (USA), vol. 104, no. 29, p. 11959, 17 July 2007.