Een stukje DNA dat zichzelf vermenigvuldigt zou geen nieuws zijn. Dat gebeurt namelijk voortdurend in onze cellen, al zo lang als we leven. Het gebeurt zelfs al miljarden jaren in alle levende wezens op aarde. Het zou wél nieuws zijn als een stukje DNA zich buiten een levende cel kon vermenigvuldigen, zonder de gebruikelijke hulp van enzymen. Laten onderzoekers van New York University en het FOM-instituut AMOLF nu net precies datgene klaargespeeld hebben. Ze beschreven het onlangs in het tijdschrift Nature.

Een moleculaire robot van DNA.

Paul Michelotti

Knutselen met DNA

DNA is de drager van erfelijke informatie in onze cellen. Maar voor bio- en nanotechnologen is DNA vooral om andere redenen interessant. Je kunt met DNA goed knutselen. Het is een lang en stabiel molecuul, en je kunt ‘vertellen’ hoe het molecuul zich moet opbouwen door de genetische code – gevormd door de basen A,C,G en T – aan te passen.

Op die manier kun je nieuwe structuren maken, wat ook wel bekend staat als DNA-origami. Maar je kan op dezelfde manier met DNA moleculaire robots laten lopen, of ermee computeren. Het succes van knutselen met DNA staat of valt met het ontwerpen van de juiste stukjes DNA, zodat de puzzel zich vervolgens in elkaar kan leggen. Dat is de strategie die de Nederlandse en Amerikaanse onderzoekers ook gehanteerd hebben.

De opbouw van de DNA-tegels van de zijkant (links) en een dwarsdoorsnede ervan (rechts). Je ziet twee tegels (drie ronde bundels strengen vormen één tegel) met daartussen de losse eindjes van beide tegels die op elkaar passen.

Wang et al/Nature

Tegels met streepjescode

Het team heeft speciale structuren van DNA ontworpen, die ze ‘DNA-tegels’ noemen. Deze tegels bestaan uit een aantal dicht op elkaar gevouwen DNA-strengen, in totaal een tiental nanometer groot.

Aan de uiteinden van de tegels bevinden zich ‘losse eindjes’: enkele strengen DNA. De volgorde van de basen in deze losse eindjes geven een identiteit aan de tegel: iedere tegel heeft zo zijn eigen specifieke ‘code’ van losse eindjes.

De onderzoekers maakten twee verschillende tegels, die we even X en Y noemen. Als nu het los eindje van een tegel basen bevat die precies op een los eindje van een andere tegel passen – waarbij base A hecht aan T en C aan G – dan kunnen de tegels aan elkaar klikken.

Op deze manier maakten de onderzoekers ook de tegels X’ en Y’, die dus erg lijken op X en Y maar net de tegengestelde basenvolgorde hebben. Heeft X bijvoorbeeld de code ACGTA op zijn losse einde, dan heeft X’ TGCAT. Het losse eindje van X’ kan zodoende binden aan het losse eindje van X, waardoor de tegels kunnen vastklikken.

Dochters en kleindochters

Tot zover de ingrediënten. Nu het vermenigvuldigen zelf. De onderzoekers losten alle tegels op in water. Maar ze ontwierpen ook een speciale keten van zeven tegels: X-Y-Y-X-Y-X-Y. Het gevolg was dat in de oplossing de tegels X’ en Y’ begonnen te binden aan de keten, dus X’ bond aan X en Y’ bond aan Y. Zo ontstond aan de oorspronkelijke keten een ‘dochterketen’ van X’-Y’-Y’-X’-Y’-X’-Y’.

Toen het team vervolgens de temperatuur verhoogde, liet de dochterketen los van de oorspronkelijke keten. De losse eindjes plakken namelijk alleen bij lage temperatuur. Door het proces te herhalen – door de temperatuur weer te verlagen, zodat andere losse tegels zich aan de dochterketen kunnen binden – ontstond een ‘kleindochterketen’ aan de dochterketen. Deze kleindochterketen was weer hetzelfde als de keten waarmee de onderzoekers waren begonnen (X en Y dus). Zie de afbeelding hieronder voor een weergave van het proces.

Je begint linksboven, met de beginstructuur van zeven tegels. De tegels X’ en Y’ binden hier vervolgens aan, zodat je een dochterketen krijgt. Deze keten maak je los door de temperatuur te verhogen (volg het plaatje met de klok mee). In het midden van de afbeelding is een tegel uitvergroot, in dit geval X. De losse eindjes hebben een specifieke basenvolgorde. De tegels X’ hebben losse eindjes die hier precies op passen.

Stichting FOM

Nieuwe materialen maken

Door het maken van een ‘kleindochterketen’ hebben ze de oorspronkelijke keten in feite vermenigvuldigd. Natuurlijk, het proces is met alle tussenstappen vrij omslachtig – dat vinden de onderzoekers trouwens zelf ook – maar het laat wel zien dat je een zelfbedacht bouwwerk op basis van DNA kúnt vermenigvuldigen. Zou je het proces maar vaak genoeg herhalen, dan zal het aantal ketens op den duur exponentieel toenemen. Zover zijn de onderzoekers overigens nog niet gegaan. Zie het als een eerste, veelbelovende stap daartoe.

Echt interessant wordt het als je bedenkt dat aan de losse eindjes ook andere materialen kunnen hechten, zoals metalen nanodeeltjes. Je hebt dan plots een bouwplan in handen waarmee je materialen op kunt bouwen, die bestaan uit zulke nanodeeltjes. Nanotechnologen zijn bezig met het ontwerpen van nieuwe minuscule materialen die ongewone eigenschappen hebben. Het zou het maken van zulke materialen veel makkelijker en efficiënter maken als je alleen de beginstructuur hoeft te bedenken, waarna het materiaal zichzelf gaat vermenigvuldigen. Dit onderzoek brengt zo’n toekomst een stuk dichterbij.

Meer over het gebruik van DNA in nanotechnologie op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/nanotechnologie/dna/index.atom?m=en", “max”=>"7", “detail”=>"minder"}