211service.com
X markeert de plek voor Jumbo DNA
De hete actie op veel technologische gebieden draait om hoe je dingen steeds kleiner kunt maken. Tegen deze trend in hebben wetenschappers van Stanford University een kunstmatige DNA-streng gesynthetiseerd met moleculen die ongeveer 15 procent groter zijn dan de natuurlijke variant. Dit zogenaamde xDNA heeft eigenschappen die ontbreken in het nietige DNA dat de natuur kookt. Het is bijvoorbeeld stabieler. Het gloeit ook onder ultraviolet licht. Deze eigenschappen suggereren dat xDNA nuttig zou kunnen zijn bij genetische diagnostische procedures en, mogelijk, kunstmatige levensvormen. Ons grootste belang is of we ons eigen genetische systeem kunnen ontwerpen, zegt scheikundeprofessor Eric Kool, die het onderzoeksteam van Stanford leidde. Ik denk dat we goed op weg zijn.
Wat xDNA anders maakt dan regulier DNA is de structuur ervan. Normaal gesproken is DNA een reeks nucleotiden, die elk een suiker, een fosfaat en een base bevatten: adenine, thymine, guanine of cytosine (in DNA-beschrijvingen weergegeven als A, T, G en C). Wanneer DNA-strengen zich met elkaar verbinden, passen de basen op een bepaalde manier bij elkaar: adenine bindt altijd met thymine en guanine met cytosine.
Ongeveer dertig jaar geleden vond Nelson Leonard, toen een scheikundige aan de Universiteit van Illinois en nu aan het California Institute of Technology, een manier om adenine uit te rekken zodat het zou fluoresceren bij blootstelling aan ultraviolet licht. Wat Leonard niet kon doen, was de suiker en het fosfaat aan de base hechten, waardoor een compleet nucleotide ontstond; wetenschappers wisten destijds niet hoe ze DNA moesten maken, maar nu wordt het proces van het maken van kunstmatige strengen vaak gebruikt in genetische medische diagnostiek.
Kool zocht een manier om een dubbele DNA-helix te maken. Eerst synthetiseerde hij twee geëxpandeerde basen: adenine en thymine (xA en xT). Vervolgens maakte hij nucleotiden van de xA- en xT-basen met geschikte suikers en fosfaten. Door een xA te combineren met een normale T en een xT met een normale A, kon Kool ze samenvoegen tot een dubbele helix die net breed genoeg was om de uitgerekte bases te bevatten.
Het bouwen van de nucleotiden kostte vier jaar werk. Kool begon met het ontwerpen van de structuur van de uitgerekte basen en ging toen over op synthese, waarvoor geschikte vormen van suikers en fosfaten moesten worden gevonden. We deden chemische reactie na chemische reactie na chemische reactie, zegt Kool. Het zuiveren van de resultaten kan dagen of zelfs weken duren. En omdat een dergelijke synthese nog niet eerder was gedaan, waren er veel doodlopende wegen.
Nadat de onderzoekers stabiele, supergrote nucleotiden hadden gesynthetiseerd, gebruikten ze commercieel beschikbare apparatuur om ze aan elkaar te koppelen tot DNA-sequenties. Natuurlijk DNA heeft ongeveer 10,5 gepaarde nucleotidestappen nodig om één volledige rotatie in de dubbele helix te maken. De vergrote bases vergroten de diameter van de helix, waardoor meer van dergelijke stappen nodig zijn. Omdat ze groter zijn, biedt de moleculaire structuur meer stabiliteit; terwijl natuurlijk DNA in Kool's lab uit elkaar viel bij 21C, bleef xDNA intact tot 56C. Kools onderzoek toont aan dat de dubbele helixstructuur van [natuurlijk] DNA niet de enige hoeft te zijn, zegt Danith Ly, assistent-professor scheikunde aan de Carnegie Mellon University en een expert in het ontwikkelen van chemische hulpmiddelen voor het bestuderen van genomics en proteomics.
Kools ultieme zoektocht naar een op maat gemaakt genetisch systeem is een hele opgave - en niet overhaast, zegt Ly: om een biologische functie onafhankelijk van wat dan ook te laten bestaan, heeft het eiwitten, lipiden, enzymen - allerlei dingen nodig. Voor ons zou het mogelijk zijn om het in de komende honderd jaar te doen, maar het zou moeilijk zijn. En daarvoor moet Kool uitgebreide versies van de G- en C-bases maken, die waarschijnlijk qua moeilijkheidsgraad vergelijkbaar zullen zijn met zijn werk aan xA en xT.
Afgezien van sciencefictionscenario's van designergenen, gelooft Kool dat xDNA een praktische rol speelt in de diagnostiek, met name bij het verbeteren van de bestaande medische procedures die gezondheidsproblemen detecteren op basis van de structuur van iemands DNA. Clinici die op zoek zijn naar bepaald DNA of RNA in een persoon, nemen een weefselmonster en introduceren een kunstmatige DNA-streng die zich aan dat materiaal zal hechten. Technieken die alles wegspoelen, behalve gebonden paren die het kunstmatige DNA bevatten, stellen laboratoria in staat om gemakkelijk te zoeken naar wat er nog over is. Als het niet goed bindt, weet je dat het een mutatie is of dat het [gezochte] DNA er niet is, zegt Paul Billings, vice-president en nationaal directeur genetica en genomica bij Laboratory Corporation of America, een diagnostisch testbedrijf in Burlington, NC.
Omdat xDNA sterker bindt dan gewoon DNA, zou het veerkrachtiger zijn in dit testproces. Bovendien zou zijn natuurlijke fluorescentie als baken kunnen fungeren, waardoor detectie gemakkelijker wordt. Zelfs nadat de techniek meer was dan een curiositeit in het laboratorium, zou het diagnostische nut ervan in het veld moeten worden aangetoond. Allereerst moet je bewijzen dat het in de cellen terechtkomt en zich op andere manieren gedraagt als ander DNA, zegt Billings. Ten tweede moet je bewijzen dat het beter is dan andere methoden. Er zijn gevestigde methoden die nu werken, en er is nog geen bewijs dat de bindende en fluorescerende eigenschappen van xDNA een duidelijke verbetering zouden zijn.
Bovendien zouden de fluorescerende eigenschappen van xDNA waarschijnlijk moeten worden aangepast, zegt Ly. Volgens het artikel van Kools team lichtte het molecuul op wanneer het werd beschenen door ultraviolet licht met een golflengte van ongeveer 390 nanometer. Weefsels absorberen niet erg goed bij deze golflengten, merkt Ly op, wat suggereert dat voor diagnostisch gebruik de basis zou moeten worden aangepast om te reageren op licht dat zich dichter bij het rode uiteinde van het spectrum bevindt. Maar dat hoeft volgens Kool niet per se een groot probleem te zijn bij het onderzoeken van voldoende dunne plakjes weefsel. In feite kunnen xDNA-nucleotiden zelfs hun fluorescerende kleur of intensiteit veranderen wanneer ze zich hechten aan natuurlijk DNA of RNA - een fenomeen dat meer mogelijke hulpmiddelen aan de diagnostische kit zou toevoegen. Noem het een groot licht voor medisch personeel.