Genetische code ontrafeld door kracht
Hoe wordt DNA in levende organismen bewerkt en afgelezen? Onderzoekers van het LaserLaB aan de Vrije Universiteit Amsterdam hebben DNA-moleculen vastgepakt en mechanisch onder spanning gezet om dit beter te begrijpen. De resultaten laten zien dat als er steeds harder aan het DNA getrokken wordt, de twee strengen waaruit DNA bestaat oprekken, minder windingen krijgen en elkaar uiteindelijk loslaten. DNA blijkt heel stabiel en eiwitten moeten dus een opening forceren om specifiek op het DNA in te kunnen grijpen. FOM-werkgroepleiders en Vici-laureaten prof.dr.ir. Gijs Wuite en dr.ir. Erwin Peterman en hun medewerkers publiceerden hun resultaten deze week samen met collega's uit Frankrijk en Denemarken in het gerenommeerde tijdschrift Nature Physics.
Stabiliteit versus toegankelijkheid
DNA is een groot, vooral lang molecuul, met een dubbele helixvorm. De twee strengen die om elkaar heen gewonden zijn, verbergen in hun midden de genetische code. Aan de ene kant moet deze genetische code veilig bewaard blijven, door de twee strengen bijeen te houden. Aan de andere kant moet de code steeds weer afgelezen en gekopieerd worden, juist door de twee strengen lokaal te ontwinden en uit elkaar te halen. We weten dat een temperatuurverhoging tot zo'n 70 graden Celsius dit kan bewerkstelligen. Maar dat is niet de manier waarop DNA-aflezende en -kopiërende eiwitten dit doen. Om beter te begrijpen hoe ze het wel doen hebben de onderzoekers lokaal de structuur van het DNA gedestabiliseerd en hebben zij zo de stabiliteit van de dubbele helix kwantitatief in kaart gebracht.
Uniek ontrafelproces
Met geavanceerde natuurkundige technieken zoals het 'optische pincet' is het mogelijk een enkel DNA-molecuul op te rekken en tegelijkertijd te meten hoe elastisch het is. De Amsterdamse onderzoekers laten zien dat zij door hard genoeg aan DNA te trekken, de twee DNA strengen kunnen ontrafelen. De onderzoekers zagen verbazingwekkend complex gedrag: het ontrafelen gebeurt schoksgewijs. Dat levert een ontrafelpatroon op dat specifiek is voor de onderliggende genetische code van het DNA, als een soort vingerafdruk. Op basis van deze ontdekking hebben de onderzoekers een kwantitatief model gemaakt dat heel precies de mechanische stabiliteit van het DNA kan beschrijven.
Elasticiteit DNA
Voor het model was ook een exacte beschrijving van de elastische eigenschappen van het DNA nodig. De gangbare beschrijving bleek niet goed genoeg, daarom hebben de onderzoekers een uitbreiding toegevoegd. Cruciaal bleek om ook de helixvorm van het DNA mee te nemen; door aan DNA te trekken bleek het DNA namelijk eerst wat verder op te winden, om bij hogere krachten juist weer een beetje te ontwinden. Concluderend stellen de onderzoekers dat de dubbele helix structuur van DNA heel stabiel is en dat eiwitten daar specifiek op moeten ingrijpen om een opening te forceren.
Referentie
'Quantifying how DNA stretches, melts and changes twist under tension', Peter Gross, Niels Laurens, Lene Oddershede, Ulrich Bockelmann, Erwin Peterman en Gijs Wuite.
Contact
Prof.dr.ir. G. (Gijs) Wuite (020) 598 79 87
Dr.ir. E. (Erwin) Peterman (020) 598 75 76
Meer informatie
http://www.nat.vu.nl/en/research/physics-life-health/single-molecule-cell-level-biophysics/index.asp