Delftse onderzoekers meten beweging van supercoiled DNA

Delftse onderzoekers meten beweging van supercoiled DNA
Kennislink.nl, 10 juli 2007
Onderzoekers van het Kavli Institute of Nanoscience van de Technische Universiteit Delft hebben, in
samenwerking met collega's van de Columbia University in New York en met financiële steun van de Stichting
FOM en NWO, de bewegingen van afzonderlijke DNA-moleculen die door een overmaat aan verdraaiing vol
lussen zijn komen te zitten, voor het eerst in detail bestudeerd. Dit levert een volledige en kwantitatieve
beschrijving van de dynamica van DNA-moleculen op. Het onderzoek is naar verwachting van groot belang om
beter te begrijpen hoe dergelijke lusvorming in levende cellen ongedaan wordt gemaakt. DNA vol lussen leidt
tot fouten bij celdeling en tot aandoeningen van cellen. De onderzoekers publiceren hun resultaten op 17 juli
2007 in de Proceedings of the National Academy of Sciences (USA).
Het DNA-molecuul heeft de vorm van een dubbele wenteltrap, die door baseparen met elkaar is verbonden. De wenteltrap
maakt elke 10,5 baseparen een volledige draai. Als er torsie op het molecuul wordt uitgeoefend, kan de draaiing te groot worden
en doet het DNA-molecuul op een gegeven moment denken aan een schoenveter die te vaak is opgewonden: de veter klapt om
tot lussen. In het vakjargon heet het DNA dan supercoiled.
Levende cellen kennen een ingewikkeld evenwicht tussen processen die torsie opwekken (zoals verdubbeling (replicatie) en
transcriptie van DNA; zie figuur) en processen die te sterke windingen uit DNA kunnen halen (uitgevoerd door gespecialiseerde
eiwitten of enzymen zoals topoisomerases, die het DNA gecontroleerd knippen en plakken).
Sterke verdraaiing en zelfs vorming van lussen in een DNA-molecuul kan ontstaan als gevolg van de torsiekrachten die optreden bij
verdubbeling van DNA tijdens celdeling. wanneer immers een DNA-molecuul eerst ontwonden moet worden.
De bewegingen van het DNA zijn een belangrijk aspect van het proces dat lusvorming ongedaan kan maken. De onderzoekers in
Delft kunnen de beweging van een los 'supercoiled' DNA-molecuul nu 'live' meten en dat geeft belangrijke kwantitatieve
informatie over de dynamica van DNA.
DNA in de tang
De experimenten in Delft zijn mogelijk doordat de onderzoekers afzonderlijke DNA-moleculen klem kunnen zetten tussen een
glazen oppervlak en een magnetisch bolletje. Op die bolletjes kunnen de onderzoekers met behulp van twee magneetjes krachten
uitoefenen. Door de magneten te draaien kunnen de onderzoekers het DNA naar believen zo verdraaien dat de lussen van de
'supercoiled' toestand ontstaan.
In nieuwe experimenten hebben de onderzoekers nu ook een laser toegevoegd waarmee ze het magnetische bolletje kunnen
vangen en naar wens verplaatsen, bijvoorbeeld naar het oppervlak toe. Wanneer ze vervolgens de laser uitzetten, beweegt het
magnetische bolletje plotseling weer terug naar zijn oorspronkelijke positie. Op die manier kunnen de onderzoekers het
ingeklemde DNA-molecuul dus opeens een zetje geven en kijken hoe snel de lussen verdwijnen.
In aanverwante experimenten lieten de onderzoekers de laser uit, maar voegden ze een enzym toe dat een van de twee DNAstrengen op een specifieke plaats doorknipt. Dit was een alternatieve manier om alle lussen uit het DNA te laten verdwijnen, wat
andermaal af te leiden was uit de waarneming dat het DNA-molecuul na de ingreep van het enzym langer werd.
De twee soorten experimenten die tijdens het onderzoek zijn gedaan. Links is een bovenmatig verdraaid DNA-molecuul vastgezet
tussen een glazen oppervlak en een magnetisch bolletje dat door een laser is gevangen (en verplaatst kan worden). Rechts wordt op
een vergelijkbaar DNA-molecuul een enzym losgelaten dat afzonderlijke strengen van het DNA doorknipt, waarna het DNA-molecuul
kan ontwinden. Beeld: FOM
Snelle veranderingen
De metingen aan de ingeklemde DNA-moleculen in de twee verschillende experimenten blijken heel goed beschreven te kunnen
worden met een eenvoudig theoretisch model waarin de belangrijkste veronderstelling is dat de interne bewegingen in het DNAmolecuul zeer snel verlopen. Of het DNA nu door torsie wel of geen lussen bevat, blijkt nauwelijks uit te maken. Als het DNA de
ruimte heeft om 'zich uit te rekken', dan verloopt de ontwinding mét lussen vrijwel even snel als zonder lussen. De experimenten
hebben een duidelijk beeld opgeleverd van de bewegingen van DNA als er geen gebonden eiwitten op het DNA aanwezig zijn. In
vervolgexperimenten gaan de onderzoekers nauwkeurig kijken of de bewegingen van DNA veranderen als deze eiwitten wel
aanwezig zijn.
Resultaat van een experiment volgens de opzet a in de vorige figuur. Na het uitzetten van de laser ontwindt het DNA zich totdat het een
evenwichtstoestand bereikt. De grafiek geeft het verloop in lengte weer. Bij de rode data is met behulp van het magneetveld een kracht
van 2,2 piconewton op het DNA-molecuul uitgeoefend en bij de zwarte een kracht van 4,1 piconewton. De meetresultaten komen goed
overeen met berekeningen met een numeriek model waarin het DNA zich in een evenwichtstoestand bevindt (de doorgetrokken lijn).
Beeld: FOM