Je leest:

Is er een dokter in de cel?

Is er een dokter in de cel?

Auteur: | 21 mei 2004

Een nieuwe DNA-computer doet dienst als arts. Hij stelt de diagnose en levert vervolgens het juiste medicijn.

In de film Fantastic Voyage uit 1966 moet een man binnen een uur afgeholpen worden van een bloedprop in zijn hersenen. Een groepje artsen in een duikboot krimpt tot op celniveau. Het minuscule bootje wordt de bloedbaan ingespoten en de medici varen richting hersenen. Ter plekke ontdoen ze de patiënt van de bloedprop.

Dr. Ehud Shapiro toonde dit stukje science fiction tijdens een publiekssymposium eind april in Brussel. Fictie blijft het, maar het proof of principle van een miniatuurdokter heeft Shapiro nu gemaakt (inmiddels staat het resultaat online in Nature). De Israëlische informaticus heeft een DNA-computer gebouwd die in een reageerbuis een diagnose kan stellen, een therapie kan uitkiezen en het medicijn produceert. Een nanocomputer als dokter.

Boter, kaas en eieren

Shapiro is informaticus en filosoof. Hij werkt al jaren aan moleculaire computers, aanvankelijk bedoeld om een einde te maken aan het siliciumtijdperk. Vorig jaar kreeg Shapiro een vermelding in het Guinness book of world records, met de kleinste computer ooit gemaakt. Deze had een volume van 160 ml, en versloeg menselijke tegenstanders met het spelletje boter, kaas en eieren.

Toch blijven PC’s nog wel even uit chips van silicium bestaan. Het probleem bij DNA-computers is de zogeheten interface. De input bij boter, kaas en eieren bestaat uit kruisjes en rondjes op een bord van negen velden, dat moet vertaald worden in DNA-letters, en bij de output gaat het precies andersom. Dat vertalen was erg omslachtig. De DNA-computer die Shapiro nu presenteert, bestaat volledig uit DNA-strengen en RNA-enzymen die direct communiceren (lees: binden) met cellulaire moleculen. De computer neemt het mRNA dat uniek is voor prostaatkanker of longkanker (input). Het reageert daarop met het maken van een medicijn (output). Dat medicijn bestaat uit DNA dat complementair is aan het defecte gen. Het medicinaal DNA moet binden aan het kapotte gen en zo de oorzaak van de tumor wegnemen.

DNA-computer klinkt ingewikkelder dan het is: in feite bestaat het uit een lange streng therapeutisch DNA en enkele korte RNA-fragmenten voor de diagnose. Ook zijn de nucleïnezuurreeksen niet omgeven door een stukje plastic of membraan, de moleculen kunnen los in de cel worden gebracht. Die lange therapeutische streng bestaat uit het medicijn plus enkele beschermende stukken DNA. Daarvan worden steeds stukjes afgeknipt, totdat het therapeutische deel overblijft en als medicijn in de cel vrijkomt.

Zieke cellen produceren afwijkende mRNAs. Deze DNA-computer detecteert die en dient vervolgens een medicijn toe. © Arthur Rep, Gaby van Caulil Klik op de afbeelding voor een grotere versie

Prostaatkanker

Dat medicijn mag alleen vrijkomen als de ziekte is vastgesteld. De diagnose prostaatkanker kan bijvoorbeeld alleen gesteld worden bij overexpressie van de genen PIM1 en HPN en bij onderexpressie van PPAP2B en GSTP1. In computertaal: dat zijn vier vragen waar ja of nee op geantwoord kan worden. Bij vier juiste antwoorden is de lange DNA-streng vier stukjes kleiner geworden, en komt het medicijn vrij. Bij één fout antwoord stopt het hele proces.

Informatici noemen dit een Turing-machine, die in 1936 werd voorgesteld door de Britse wiskundige Alan Turing. Hij voorzag een apparaat dat een stuk papier met een lineaire reeks cellen naloopt; een cel kan ofwel leeg ofwel gevuld zijn. De machine vergelijkt de reeks van ‘leeg’ en ‘gevuld’ op papier met de reeks die hem door de maker ingegeven is. De machine meldt uiteindelijk of de reeksen overeenkomen.

Hierboven is het detecteren van de overexpressie van het prostaatkankergen PIM1 vereenvoudigd uitgewerkt. Als mRNA van het kankergen aanwezig is, bindt dat aan de helft van het diagnose-RNA van de DNA-computer. De andere helft komt vrij en bindt aan een derde enkelstrengs RNA (afkomstig uit de computer): samen vormen zij een knipenzym voor het lange DNA. Voor het meten van onderexpressie gebruikt Shapiro een RNA-fragmentje dat van zichzelf al een knipper is. Bij onderexpressie is er geen mRNA van de kankercel dat de RNA-knipper uit elkaar haalt: het RNA blijft bestaan en knipt een stukje van het grote DNA af.

Dosis

Tot zover lijkt het meer op gentherapie dan op een computer, laat staan een dokter op nano-niveau. Toch is dit prototype een echte computer. Het bestaat uit twee typen therapeutische strengen, eentje voor prostaatkanker en een voor longkanker. Het minicomputertje heeft dus vier uitkomsten: wel of geen medicijn tegen prostaatkanker en wel of geen medicijn tegen longkanker. Iedere ziekte krijgt zo zijn eigen streng – er is plek genoeg: Shapiro’s prototype bevat drie miljard DNA-strengen per microliter.

En ook dit is nog een versimpeling. De DNA-computer kan namelijk ook de mate van expressie bepalen en daarop reageren. De dokter stemt de dosis nauwkeurig af. Voor ieder prostaatkanker-gen heeft de computer twee RNA-fragmenten. De een leidt tot het maken van een DNA-medicijn, de ander tot een zogeheten suppressor- medicijn. Dat bindt aan het eerdergenoemde medicijn, waardoor dat onderdrukt wordt. Op die manier leidt bijvoorbeeld een kleine hoeveelheid longkanker-mRNA tot weinig medicijn en relatief veel suppressor, waardoor uiteindelijk een lage concentratie van het medicijn in de cel vrijkomt. In een zoutoplossing in een reageerbuisje werkt de DNA-computer. Het is de vraag of het ook voldoet in de cel, waar veel meer zouten, suikers en RNA aanwezig zijn. Genen beïnvloeden elkaar en dat is grotendeels nog onvoorspelbaar; de cel is vele malen ingewikkelder dan in een epje, reageerbuis of computer kan worden nagebootst. Naar schatting duurt het nog tientallen jaren voordat de DNA-computer effectief en veilig is. De minidokters uit Fantastic Voyage blijven voorlopig nog science fiction.

Referentie

Benenson et al. An autonomous logical computer for logical control of gene expression. Nature Online 28 april, 2004

Dit artikel is een publicatie van Bionieuws.
© Bionieuws, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 21 mei 2004

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.