DNA bestaat uit twee strengen die de vorm aannemen van een dubbele helix, voor de chipskenner te vergelijken met de vorm van een wokkel. Halverwege de jaren ‘90 begonnen wetenschappers de mechanische eigenschappen van individuele DNA-’lemma’ data-lemma-id=’1001’>Molecuul in kaart te brengen. Nu is tot in detail bekend hoe de wokkel uitrekt en draait als je er kracht op uitoefent.
Ook RNA , dat meestal voorkomt als enkele streng, kan een dubbelstrengs spiraal vormen. Deze vorm komt voor in sommige virussen, die één of meerdere van zulke lange moleculen hebben als erfelijk materiaal. Ook in onze cellen zit dubbelstrengs RNA, maar alleen als korte stukjes die betrokken zijn bij het regelen van de activiteit van genen.
Hoe reageert RNA, als moleculaire verwant van DNA, op krachten en verdraaiingen? Ongeveer hetzelfde, dachten wetenschappers altijd. Toch was dit nooit onderzocht. De onderzoeksgroep van biofysicus Nynke Dekker van het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft, geleid door Jan Lipfert, probeerde het uit en deed een onverwachte ontdekking. Naast een aantal vergelijkbare eigenschappen blijken er ook opvallende verschillen te zijn tussen de twee wokkels. De resultaten staan deze maand beschreven in het tijdschrift PNAS.
RNA vs DNA
Wikimedia Commons
Chemisch gezien lijken DNA en RNA erg op elkaar, maar er zijn kleine verschillen. DNA bestaat uit twee strengen van Nucleotide die in de vorm van een dubbele helix om elkaar heen zijn gedraaid. RNA komt meestal voor als een enkele streng van nucleotiden. Nucleotiden zijn de bouwstenen waaruit beide moleculen zijn opgebouwd. Er zijn vijf stikstofbasen die in nucleotiden kunnen voorkomen: adenine (A), cytosine ©, guanine (G), thymine (T) en uracil (U). In DNA-nucleotiden komen alleen A, C, G en T voor. RNA bevat U in plaats van T.
Dan is er nog een verschil. In beide moleculen bestaat de ‘ruggegraat’ van de streng uit een keten van suiker- en fosfaatgroepen. In DNA-nucleotiden is die suikergroep een desoxyribose, in RNA ribose. Desoxiribose heeft op één plek in zijn structuur een waterstofatoom (H) waar ribose een hydroxylgroep (OH) heeft.
Magnetisch pincet
Hoe RNA reageert op van buiten opgelegde krachten en verdraaiing onderzocht het team met behulp van een magnetisch pincet. Het pincet bekijkt een dubbelstrengs RNA-molecuul dat aan één kant is vastgezet op een plaatje. Door aan het vrije uiteinde van het molecuul magnetische bolletjes aan te brengen, kan je vervolgens met een magneet heel gecontroleerd kracht uitoefenen en verdraaiingen teweeg brengen.
Was de uitgeoefende kracht niet te groot, dan gedroeg de wokkel zich heel elastisch: hij boog en draaide net als een rubberen staaf. Worden de krachten en verdraaiingen te groot, dan veranderde de structuur plotseling van vorm. Tot zover niks opvallends, dat doet de DNA-wokkel ook. “Chemisch gezien lijken dubbelstrengs DNA en RNA erg op elkaar. Daarom hebben ze veel dezelfde eigenschappen”, legt Nynke Dekker uit.
Verrassing
De verrassing kwam toen het team de RNA-wokkel strak oprolde: het molecuul werd korter. En dat is tegengesteld aan wat een DNA-wokkel doet. Dekker: “In 2006 kwam aan het licht dat als je DNA met behulp van zo’n pincet strak oprolt, het molecuul tegen de verwachting in langer wordt. De verwachting was dat het molecuul korter wordt, net zoals een natte handdoek bij uitwringen korter wordt.” In Dekkers experiment deed RNA wel wat je van een uitgewrongen handdoek verwacht.
Daarnaast was er nog een opvallend verschil. Stel je het uitgerekte RNA-molecuul eerst eens voor als het snoer van je oordopjes. Pak je het snoer aan de uiteinden vast dan komen er door eraan te draaien allemaal lussen in. “RNA deed er honderd keer langer over dan DNA om de eerste lus te vormen“, vertelt Dekker.
Onverwachte eigenschap
Waarom de twee wokkels zich soms zo anders gedragen? Dat is met de huidige modellen van DNA en RNA nog niet te verklaren. Blijkbaar zijn de kleine chemische verschillen tussen DNA en RNA groot genoeg om de opbouw van de wokkel zo te beïnvloeden dat hun mechanica gaat verschillen. “Het bewijst maar weer dat we deze moleculen nog steeds niet helemaal begrijpen”, aldus Dekker.
Bron:
- Jan Lipfert e.a., ‘Double-stranded RNA under force and torque: Similarities to and striking differences from double-stranded DNA’, PNAS. Online publicatie op 13 oktober 2014.