Je leest:

Entropie drijvende kracht achter scheiding van DNA in bacteriën

Entropie drijvende kracht achter scheiding van DNA in bacteriën

Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam hebben ontdekt dat entropie een grote rol speelt bij de scheiding van DNA tijdens de celdeling van bacteriën.

Bij de celdeling wordt de DNA-keten eerst verdubbeld en vervolgens gescheiden. Tot nu toe gingen onderzoekers ervan uit dat bij het scheiden een moleculaire machine een rol speelt, net als dat het geval is bij complexere organismen als de mens. In bacteriën blijkt hier echter een rol weggelegd te zijn voor entropie, de maat voor ‘wanorde’ in een systeem. Dit resultaat werpt ook nieuw licht op de evolutie en het ontstaan van het eerste leven waarin DNA een rol speelt. De onderzoekers publiceren de resultaten op 15 augustus 2006 in het wetenschappelijke tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Levende wezens onderscheiden zich van de dode materie door de eigenschap zich te kunnen vermenigvuldigen. De basis voor deze vermenigvuldiging is de celdeling, waarbij uit een cel twee genetisch identieke dochtercellen ontstaan. Om dit voor elkaar te krijgen moet het DNA, de genetisch code, van de moedercel eerst nauwkeurig verdubbeld worden. Dit noemt men replicatie van DNA. De volgende stap is minstens zo belangrijk: de twee kopieën van het DNA moeten ruimtelijk van elkaar gescheiden worden. Dit wordt segregatie genoemd. Cellen van ‘hogere’ organismen, zoals planten en dieren, bouwen voor deze laatste taak een prachtige moleculaire machine, de zogenaamde mitotische spoel. Deze constructie bestaat uit een complex van lange stijve polymeren en motoreiwitten, en trekt letterlijk de gedupliceerde chromosomen uit elkaar.

Segregatie in bacteriën Verrassend genoeg weten onderzoekers niet precies hoe de segregatie tot stand komt bij de veel simpelere bacteriën. Een van de oorzaken van dit onbegrip is het feit dat bacteriën doorgaans heel klein zijn. Ze zijn grofweg cilindervormig met een breedte van 1 micrometer en een lengte van enkele micrometers. Dit maakt het lastig om te zien hoe processen verlopen in deze organismen, die voor ons wel belangrijk zijn, bijvoorbeeld voor onze gezondheid en voeding.

De Amsterdamse onderzoekers simuleerden in een computermodel de segregatie van twee cirkelvormige DNA-ketens in een volume vergelijkbaar met dat van een bacterie. Dit resulteerde in spontane ontmenging van de twee DNA-ketens die ieder een helft van dit volume in beslag namen. Onder opsluiting in een extreem klein afgesloten volume blijkt de afstotende kracht tussen twee DNA-ketens voldoende groot om voor ontmenging te zorgen. Illustratie: FOM

Wetenschappers doen veel onderzoek naar het precieze mechanisme van segregatie in bacteriën. Vooralsnog geloven de meeste celbiologen dat er, net zoals bij de hogere cellen, een actief moleculair mechanisme moet zijn. Onderzoekers kunnen hun voorspellingen over mechanismen nu ook daadwerkelijk toetsen, want recente technische doorbraken maken het mogelijk om de beweging van gemarkeerde stukjes DNA te volgen in de tijd.

Rol voor entropie? Een alternatief mechanisme bedacht door microbioloog Koenraad Woldring van de Universiteit van Amsterdam, inspireerde Bela Mulder en Suckjoon Jun van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam tot het stellen van de vraag of er bij de ruimtelijke scheiding van verdubbelde DNA-ketens een rol is weggelegd voor entropie. Entropie, een van de basis drijfkrachten in de natuur, is een maat voor het aantal toestanden dat een systeem kan aannemen onder de heersende omstandigheden, ook wel beschreven als de ‘wanorde’ in een systeem. Ieder systeem streeft naar een toestand van maximale entropie.

Het DNA van een bacterie is een 1,5 millimeter lange cirkelvormige polymeerketen, die opgesloten zit in het zeer kleine volume van de bacterie. De Amsterdamse onderzoekers simuleerden in een computermodel de segregatie van twee cirkelvormige DNA-ketens in een volume vergelijkbaar van vorm en afmeting met die van een bacterie. Tot hun verbazing zagen ze dat de twee ketens spontaan ontmengden en ieder een helft van dit volume in beslag namen. In een vrije ruimte stoten twee polymeerketens elkaar ook af. Deze kracht is dan echter te verwaarlozen en er treedt geen ontmenging op. Onder opsluiting in een extreem klein afgesloten volume blijkt de afstotende kracht voldoende groot om voor ontmenging te zorgen.

Entropie en DNA-verdubbeling Geïnspireerd door dit resultaat, hebben Mulder en Jun ook gekeken naar de situatie waarin de DNA-ketens nog niet volledig verdubbeld zijn. De DNA-keten bestaat dan uit drie cirkelsegmenten: de nog niet verdubbelde moederstreng en twee even lange dochterstrengen, die in twee zogenaamde replicatievorken aan elkaar zitten. Uit de simulaties blijkt dat dit vreemd gevormde molecuul zich op een heel specifieke manier ruimtelijk ordent in de cel. Deze ordening is afhankelijk van de relatieve afmeting van de drie delen. Ook hier blijkt weer de entropie van het hele molecuul de drijvende kracht.

De cirkelvormige DNA-keten van een bacterie gaat zich verdubbelen. De verdubbeling, replicatie, begint in één punt en loopt via twee kanten de cirkelvormige keten langs. Halverwege is een vreemd gevormd molecuul ontstaan met een deel dat nog niet verdubbeld is (grijs), en twee verdubbelde strengen (rood en paars). Illustratie: FOM

Licht op evolutie

Zo kunnen de onderzoekers dus het hele proces van verdubbeling en scheiding van DNA volgen. Zij hebben de resultaten ook vergeleken met recente experimenten aan de bacteriesoorten Escherichia coli en Caulobacter crescentus. In beide gevallen lijkt het gevonden mechanisme de waarnemingen nagenoeg volledig te reproduceren. De Amsterdamse resultaten werpen een nieuw licht op een vraag die microbiologen al decennia lang bezighoudt.

Bovendien zijn er ook mogelijke, maar speculatieve, implicaties voor het begrijpen van het ontstaan van het eerste leven dat op DNA gebaseerd is. Het lijkt er immers op dat een zichzelf replicerend ketenvormig molecuul, mits het maar in een voldoende kleine cel zit, de benodigde segregatie ‘kado’ krijgt van de natuur zelf. Het hoeft niet te wachten op de evolutionaire ontwikkeling van een heleboel helper-eiwitten. In de nabije toekomst hopen de onderzoekers de resultaten ook experimenteel te bevestigen door DNA te halen uit bacteriën en dit te observeren en te manipuleren in micro-gefabriceerde kanalen.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 09 augustus 2006

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE