Science: Superkronkels in DNA maken sprongetjes

Supercoiling
Een DNA-molecuul in een cel is niet zomaar een los draadje maar is helemaal opgedraaid in een warrige kluwen van lussen ('DNA supercoils' ofwel superkronkels). Deze lussen in een DNA-molecuul zijn vergelijkbaar met de vervelende lussen die je zo vaak aantreft in het snoer van je koptelefoon. In levende cellen vormen en ontwarren de DNA superkronkels zichzelf en verplaatsen ze zich langs het DNA-molecuul. Ze zijn van essentieel belang bij het reguleren van de DNA-activiteit, bijvoorbeeld welke genen worden aan- of uitgezet. Cellen gebruiken de lusjes bijvoorbeeld om stukjes DNA met elkaar in contact te brengen.

Dynamisch
Statische plaatjes van de DNA-superkronkels waren al eerder uitvoerig bestudeerd. Maar de dynamica ervan was tot dusver onbekend. Promovendus Marijn van Loenhout van het Kavli Institute of Nanoscience aan de TU Delft ontwikkelde een nieuwe techniek waarmee hij voor het eerst kon waarnemen hoe de lussen zich voortbewegen langs een DNA-molecuul. Het onderzoek vond plaats onder leiding van FOM-werkgroepleider Cees Dekker, hoofd van de afdeling Bionanoscience. De onderzoekers spanden een klein stukje van een DNA-streng op met een magnetische pincet en brachten de beweging van de DNA-lussen in beeld via fluorescentiemicroscopie. Ze slaagden er in deze bewegingen te laten zien, in real time en op het niveau van een individueel DNA-molecuul. 

Hoppende lusjes
Van Loenhout: "We hebben ontdekt dat de lusjes zich langzaam, via diffusie, kunnen verplaatsen langs het DNA. Maar we zagen daarnaast, totaal onverwacht, dat ze ook sprongetjes kunnen maken over relatief lange afstanden (micrometers). Daarbij verdwijnt er één lusje op één plek, terwijl er op een andere, ver verwijderde plek, een ander lusje ontstaat. Met deze informatie kunnen we onder meer theorieën over DNA-mechanica testen, zeg maar testen hoe je een knoop legt in DNA." Cees Dekker: "Het nieuw ontdekte 'hopping'-mechanisme heeft mogelijk belangrijke biologische consequenties. Het mechanisme maakt immers een herordening van het genoom mogelijk over lange afstand en op een tijdschaal van milliseconden. Een verrassende observatie."

Enthousiast
Het onderzoek wordt deze week gepubliceerd in Science. Cees Dekker: "We hebben dit werk eerder gepresenteerd op conferenties, recent bijvoorbeeld bij het Bio-Engineering Department van Stanford University. De respons was overweldigend positief. Het betreft dan ook het eerste onderzoek naar de dynamica van DNA-supercoiling en kan belangrijke implicaties hebben voor het onderzoek naar de vele celprocessen die berusten op een snelle herordening  van het genoom." Wetenschapper dr. William Greenleaf van Stanford University, School of Medicine: "Het belang van deze experimenten is vergelijkbaar met de eerste fundamentele experimenten in de biofysica, zoals die van Steven Chu die de eigenschappen van enkele DNA-strengen direct zichtbaar maakte via fluorescentie. De nieuwe methode van de Delftenaren maakt de directe waarneming mogelijk van superkronkels in DNA-moleculen. Dit geeft een fascinerend inzicht in de fysieke eigenschappen van genetisch materiaal."   

Meer informatie
Prof.dr. Cees Dekker (Kavli Institute of Nanoscience)
Film over het onderzoek

Referentie
'Dynamics of DNA Supercoils', M.T.J. van Loenhout, M.V. de Grunt en C. Dekker.
Het onderzoek werd op 13 september 2012 gepubliceerd in Science in de online express editie.