Je leest:

Grip op biologische nanomachines

Grip op biologische nanomachines

Interview met moleculair biologe Claire Wyman

Auteur: | 25 juli 2011

Het DNA in onze cellen heeft het maar zwaar. Voortdurend ontstaan er breuken in DNA-strengen. Gelukkig beschikt ons lichaam over slimme ‘biologische machines’ die deze breuken repareren. Moleculair biologe Claire Wyman kreeg onlangs een subsidie om te ontrafelen hoe deze machines hun werk zo goed doen.

Het DNA bestaat uit twee om elkaar gewonden strengen, met daartussen basenparen die als een ritssluiting met elkaar zijn verbonden. De volgorde van de basen, met de letters A,T,C en G, vormt je erfelijke code.
Wikimedia Commons

Het klinkt ongezond, maar in alle cellen van je lichaam raken aan één stuk door strengen van je DNA gebroken.

En toch merk je daar niets van. Dat komt omdat breuken in je DNA eigenlijk heel normaal zijn. Ze ontstaan simpelweg door het feit dat we leven en ons voortplanten. Cellen delen en dat zorgt voor breuken. Gelukkig bevatten onze cellen net zo goed tal van reparatiemechanismen die de schade herstellen.

Moleculair biologe Claire Wyman, werkzaam aan het Erasmus MC, is in de ban van de manier waarop de cel die reparaties doet. In het bijzonder de rol die zogeheten ‘biologische nanomachines’ hierbij spelen.

Ze was onlangs één van de gelukkigen die subsidie kregen uit het onderzoeksprogramma NWO-Nano. Hierbij wordt – op initiatief van Technologiestichting STW – 10 miljoen euro verdeeld over 21 onderzoeksprojecten op het gebied van nanotechnologie. Kennislink was benieuwd naar wat Wyman van plan is met haar project.

Profiel | Claire Wyman

Moleculair bioloog Claire Wyman komt oorspronkelijk uit de Verenigde Staten. Ze promoveerde in 1990 aan de Berkeley-universiteit van Californië bij Elizabeth Blackburn, die later in 2009 de Nobelprijs voor de Geneeskunde ontving. Sinds 1996 werkt ze bij het Erasmus MC in Rotterdam, waar ze onder andere het Center for Scanning Force Microscopy of Biological Nanomancines opzette om reparaties aan DNA te bestuderen. Sinds 2008 is ze hoogleraar Molecular Radiation Biology. Ze heeft tal van publicaties op haar naam staan, waaronder in Nature en Science.

Biologische nanomachines: wat moeten we ons hierbij eigenlijk voorstellen?

“Alles wat er gebeurt in onze cellen is het resultaat van moleculen die met elkaar interacties aangaan, zoals eiwitten en DNA. Zulke moleculen hebben de afmetingen van een paar nanometer, een miljoen keer kleiner dan een millimeter. Samen verrichten ze allerlei werk in de cel, en daarom noemen we ze ‘nanomachines’. Hun manier van werken verschilt alleen wel van het soort machines dat wij gebruiken, zoals auto’s en televisies. Nanomachines bouwen zichzelf alleen in elkaar als ze nodig zijn. En zodra ze hun werk hebben gedaan, demonteren ze zichzelf weer.”

Hoe was het ook al weer? De celkern van je cel bevat 23 paar chromosomen waarin je erfelijk materiaal (DNA) is vastgelegd.
Wikimedia Commons

Een cel bevat dus allerlei soorten nanomachines. Op welke richt u zich?

“Wij bestuderen de nanomachines die een rol spelen bij de reparatie van zogenaamde ‘dubbele breuken’ in het DNA. Dat zijn breuken waarbij beide strengen van een DNA-molecuul gebroken zijn. De cel repareert zulke breuken met een ingewikkeld proces genaamd homologe recombinatie. Bedenk dat je van elk chromosoom – de drager van het DNA – twee exemplaren hebt in je cel, die volledig identiek zijn. Bij homologe recombinatie wordt het gedeelte van de DNA-streng dat is gebroken hersteld met behulp van die kopie. De twee strengen worden naast elkaar gelegd, zodat een nieuw stukje DNA kan worden gemaakt middels het kopiëren van de andere streng. Vervolgens worden de nieuwe stukjes aan het oude gedeelte gelijmd.”

Wat is de rol van nanomachines in dit proces?

“Homologe recombinatie bestaat uit een groot aantal stappen. Eerst moet de breuk worden gevonden, en vervolgens de kopie van de streng. Dan moet op de kopie de juiste plek gevonden worden, die exact naast de breuk wordt gelegd. De basenparen moeten gekopieerd worden, de breuk hersteld, en de kopie moet tot slot weer verdwijnen. Bij al deze stappen zijn verschillende nanomachines betrokken. Voortdurend worden eiwitten op- en afgebouwd en dat in een specifieke volgorde. Dat maakt het interessant: het omvat veel verschillende stappen.”

Wat gebeurt er nu precies bij homologe recombinatie? De rode en blauwe lijnen stellen de twee identieke dubbelstrengen DNA voor. In de rode ontstaat een dubbele breuk. De uiteinden van de rode strengen worden zo naast de blauwe strengen gelegd dat de juiste stukjes gekopieerd worden. De groene stukjes zijn wat er nieuw gemaakt wordt. Met een ietwat ingewikkelde wisseltruc eindig je met twee dubbelstrengen die elk een combinatie zijn van elkaars oude basenpasen gemengd met nieuwe stukjes. Toch zijn beide strengen hetzelfde als voor de breuk.

Wat doet de nanomachine waar u vooral naar kijkt?

“De stap in homologe recombinatie die wij bestuderen – en het deel dat nu nog het meest mysterieus is – is de stap waarbij de kopie van de gebroken DNA-streng wordt gevonden en deze op de goede plek naast de breuk komt te liggen, zodat de basen gekopieerd kunnen worden. Het eiwit dat hiervoor zorgt in menselijke cellen heet RAD51. Deze nanomachine bouwt zichzelf op rondom een streng DNA. Het vormt een soort lange sliert. Dat zorgt ervoor dat hij de andere streng vindt. Vervolgens maakt hij de juiste basenparen gereed voor het kopiëren. Dan zit zijn werk erop en demonteert hij zichzelf om plaats maken voor een andere nanomachine die het kopiëren verzorgt.”

Een afbeelding gemaakt met een tastmicroscoop (zie onder) waarop het sliertje in het midden een stuk dubbelstrengs DNA is. Links zie je dat zich iets op het DNA genesteld heeft – dat is RAD51. In werkelijkheid wikkelt het eiwit zich helemaal om de strengen heen.
Claire Wyman

Wat maakt RAD51 zo interessant?

“We weten inmiddels het een en ander over RAD51 – bijvoorbeeld dat hij de andere streng vindt met behulp van die sliertachtige structuur – maar hoe hij dat doet is nog een mysterie. Het op- en afbouwen is ook een raadsel. Wie controleert dat de machine zich op de plek gaat bouwen waar het nodig is en weg gaat als het klaar is? Van zichzelf is RAD51 te langzaam om op- en af te bouwen, dus welke eiwitten helpen hem daarbij? Er zijn nog tal van vragen waarop we een antwoord willen.”

Een atomic force microscope of AFM is een tastmicroscoop. Met een hele dunne naald tast je het oppervlak van een materiaal af. Dat kan zo nauwkeurig, dat je van een materiaal de losse atomen in beeld kunt brengen.
No Small Matter, Felice Frankel

Hoe gaat u de antwoorden vinden op deze vragen?

“Het liefste wat ik doe is simpelweg naar het molecuul kijken: hoe ziet deze nanomachine eruit? Daarvoor gebruiken we tastmicroscopen, zoals de AFM (zie afbeelding hiernaast). De eiwitten liggen dan als losse elementen op een plat oppervlak. We kunnen zo foto’s maken met een resolutie van enkele nanometers. Met zo’n microscoop kun je alleen vorm en grootte onderscheiden. Dat is een nadeel, want de eiwitten hebben meestal dezelfde vorm. Om de eiwitten te kunnen onderscheiden, gebruiken we ook een andere techniek. We ‘labelen’ de eiwitten met een fluorescerende stof, zodat ze oplichten zodra je ze beschijnt met licht. Dat heet fluorescentiedetectie. Zo kunnen we het signaal oppikken van eiwitten die we zoeken. Alleen is van deze techniek weer het nadeel dat je met licht geen betere resolutie kunt krijgen dan een paar honderd nanometer. Dus je kunt dan wel het signaal van een eiwit ontvangen, maar je weet niet precies waar het is. Ons doel is om beide technieken te gaan combineren. Dat willen we doen in het project binnen NWO-Nano.”

Dit soort plaatjes wil Wyman over elkaar heen gaan leggen. Links een plaatje met fluorescentiedetectie, rechts met de AFM.
Claire Wyman

Hoe gaan jullie dat aanpakken?

“Het lijkt heel simpel: je maakt gewoon met beide microscopen een foto en je legt ze over elkaar. Maar je moet bedenken dat de afbeeldingen met twee compleet verschillende instrumenten gemaakt worden en we willen tot op enkele nanometers nauwkeurig zien waar het fluorescentiesignaal vandaan komt. We zullen een procedure moeten ontwikkelen waarin die twee afbeeldingen extreem nauwkeurig in elkaar kunnen overgaan tot één compleet plaatje. Hopelijk laten deze plaatjes zien hoe de eiwitten zijn opgebouwd.”

Elektromagnetische straling kan het DNA in je cellen kapot maken, of dat nu ultraviolet is (bijvoorbeeld van de zon) of röntgenstraling (zoals bij stralingstherapie).

Wat is het belang van dit onderzoek?

“Breuken in je DNA kunnen ook door externe factoren optreden, zoals door ultraviolet licht of röntgenstraling. Het is om die reden dat we straling inzetten tegen kanker: met de straling willen we DNA-ketens breken die niet meer gerepareerd worden zodat de cellen doodgaan. Deze therapie kun je effectiever maken als je ervoor zorgt dat de cel de veroorzaakte breuken niet gaat repareren, dus als je de reparatiemechanismen in de cel kunt blokkeren. Dan moet je eerst weten welke stappen cruciaal zijn in dit proces en hoe je ze kunt blokkeren. Dat is ook de reden dat ik in dienst ben bij de afdeling Radiation Oncology in het Erasmus MC.”

Welke rol speelt nanotechnologie in uw onderzoek?

“Nanotechnologie biedt ons de middelen om individuele moleculen te zien en te bewerken. Dat is fascinerend. Het is als het ware de limiet van begrip hoe de natuur werkt. Ik denk dat we in een opwindende tijd van de biologie leven. Nanotechnologie maakt onderzoek mogelijk dat we anders nooit hadden kunnen doen.

Artistieke weergave van hoe RAD51 (doorzichtig) zich om de DNA-strengen heen wikkelt.
TU Delft / Cees Dekker lab

Waar hoopt u over vijf jaar te zijn?

“De trend is om te proberen nanomachines te observeren in levende cellen. Nu bekijken we ze in pure vorm, weggeplukt uit cellen. En we hebben speciaal gemaakte stukjes DNA waarmee we de functie van deze nanomachines kunnen bestuderen. Maar een cel is veel ingewikkelder. We streven ernaar – net als andere onderzoekers – om zulke processen in levende cellen te bekijken. Dat vereist bijvoorbeeld verbeteringen in de gevoeligheid van onze instrumenten, maar ook nieuwe technieken om de dynamica van nanomachines in een cel in beeld te brengen. Het is haalbaar over vijf jaar, dat is een breed gedeelde mening. Het zou ons werk een stuk makkelijker maken, als je het allemaal live kunt bekijken. Maar er zullen ook ongetwijfeld weer nieuwe vragen komen.”

Wanneer is het project in uw ogen een succes?

“Als we halverwege op iets stuiten wat we van tevoren niet hadden verwachten. Iets dat ervoor zorgt dat we anders naar dit proces en celbiologie in het algemeen kijken. Ik noem het project succesvol als het meer vragen oproept, dan het beantwoordt.”

Het project van Wyman, met de titel The nanomachines of DNA break repair: mediator protein control of RAD51 filament dynamics, is één van de 21 projecten in het onderzoeksprogramma NWO-Nano. Dit programma, waarvoor de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) 10 miljoen euro beschikbaar stelt, is dit jaar begonnen. Kennislink licht een aantal van deze projecten uit. Dit is het eerste artikel uit deze reeks.

Lees meer over reparatie van DNA op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/dna-reparatie/index.atom", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 25 juli 2011

Discussieer mee

0

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

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.