Als wetenschappers DNA nodig hebben voor hun onderzoek, bestellen ze dat vaak bij speciale bedrijfjes. DNA bestaat uit lange strengen van verschillende bouwstenen, oftewel nucleotiden, die deze bedrijfjes een voor een in elkaar zetten tot een lange streng DNA. Dit proces kost al gauw een paar dagen tot weken en het blijkt lastig om lange strengen zonder fouten te maken. Er zit voor de onderzoekers dus niks anders op dan lang te wachten voor ze verder kunnen met hun onderzoek. Maar als het aan wetenschappers van de universiteit van Berkeley in de Verenigde Staten ligt, gebruiken we binnenkort een nieuwe en veel snellere methode. De onderzoekers weten met een enzym de dagenlange wachttijd te reduceren tot slechts een paar uur.
Oude techniek
DNA-bedrijven gebruiken op dit moment een 35 jaar oude techniek van Marvin Caruthers en zijn collega’s. Tijdens dit proces pakken ze de vier bouwstenen van DNA – adenine, guanine, thymine en cytosine – en plakken er een fosforamidiet-beschermgroep aan die zorgt dat ze niet meteen gaan reageren. Vervolgens verwijderen ze die beschermgroep bij de bouwsteen die ze aan de streng willen plakken. Dit proces is inmiddels helemaal geautomatiseerd, maar omdat ze de reactieve delen van de nucleotiden steeds moeten afschermen kost het al met al nog steeds een dag om een korte streng DNA te maken.
Promovendus Sebastian Palluk en student Dan Arlow van het Joint BioEnergy Institute in Berkeley wilden dit proces versnellen en keken daarom naar het enzym TdT. Dit enzym bouwt in verschillende cellen in de natuur snel DNA op. “Het probleem is dat TdT normaal gesproken zo snel werkt dat we het niet kunnen controleren”, laat Palluk per mail weten. “Dan lukt het niet om in een specifieke volgorde je DNA op te bouwen.”
Blokkeren
Uiteindelijk wisten de onderzoekers TdT te temmen door de nucleotide aan het enzym vast te maken. “Op deze manier kan het enzym de bouwsteen nog wel aan het DNA koppelen, maar daarna zit het vast en blokkeert het de weg”, legt Palluk uit. “Het bouwen gaat pas weer verder als wij de binding tussen het enzym en de nucleotide breken en het volgende TdT-enzym erbij kan.”
Op dit moment is de techniek nog niet goed genoeg om wereldwijd toe te passen, want het werkt nog niet helemaal foutloos. De moderne technieken beloven een nauwkeurigheid van 99 tot 99,5 procent, maar het Amerikaanse systeem zit nog op 98 procent. “We willen de nauwkeurigheid nog verbeteren zodat we ook lange strengen DNA foutloos kunnen maken”, vertelt Palluk. “We kunnen bijvoorbeeld kijken naar andere bindingen tussen het enzym en de nucleotide.”
Tijdswinst
Palluk en Arlow kunnen nu al met één nucleotide per minuut bouwen. Op termijn hopen ze nog meer tijdswinst te pakken: “De korte strengen DNA tot tweehonderd nucleotiden die we dagelijks op het lab nodig hebben hopen we uiteindelijk binnen een uur te maken”, zegt Palluk. “Nu moeten we daar vaak nog twee dagen op wachten.” Uiteindelijk droomt de onderzoeker zelfs van een soort DNA printer: “Dit systeem kun je in principe goed verwerken in een soort machine waarmee je op het lab zelf korte strengen DNA kunt printen. Het duurt waarschijnlijk nog een paar jaar, maar ik weet zeker dat zo’n systeem er ooit gaat komen.”
Bronnen:
- Sebastian Palluk e.a., De novo DNA synthesis using polymerase-nucleotide conjugates, Nature Biotechnology (2018), DOI: http://dx.doi.org/10.1038/nbt.4173