repareren - Cees Dekker Lab

Afbeelding: Cees Dekker lab TU Delft / Tremani
DNA
repareren
Wetenschap
Duizenden keren per dag breken DNAFoto: Sam Rentmeester
moleculen in ons lichaam. De groep
bionanoscience van prof.dr. Cees Dekker
toonde aan hoe de losse eindjes weer
aan elkaar geknoopt worden.
Cees Dekker: “Geen mens weet hoe de kronkelingen
bewegen door DNA. Het is een heel ingewikkeld proces.”
Tomas van Dijk
Twee DNA-moleculen die langs elkaar
schuren op zoek naar elkaars evenbeeld;
het plaatje bij het persbericht over de laatste
wetenschappelijke doorbraak van de afdeling
bionanoscience illustreert een belangrijke
stap tijdens de reparatie van DNA. Als er een
breuk in een DNA-streng optreedt, en dat
gebeurt regelmatig per ongeluk, dan gaat het
losse uiteinde op zoek naar eenzelfde DNAsequentie en gebruikt deze als sjabloon voor
de reparatie. Dit sjabloon kan een onlangs
gekopieerd stukje DNA zijn of het tweede
chromosoom (we hebben immers twee
kopieën van elk chromosoom).
De groep van Cees Dekker bootste dit proces
na in het lab om te achterhalen hoe de DNAstrengen ‘weten’ waar ze aan elkaar moeten
koppelen om het reparatiemechanisme in
gang te zetten. Dat vergde indrukwekkende
technische hoogstandjes. Met magnetische
en optische pincetten manipuleerden de
wetenschappers twee losse DNA-moleculen.
Ze konden ze naar wens langs elkaar heen en
van elkaar weg trekken en tegelijkertijd de
krachten meten waarmee de moleculen tot
elkaar werden aangetrokken.
Het getrek en gedraai aan het DNA leverde de
onderzoekers in mei een publicatie op in het
wetenschappelijke tijdschrift Molecular Cell.
De eerste auteur van het artikel ‘Mechanism of
homology recognition in DNA recombination
from dual molecule experiments’ is dr. Iwijn
de Vlaminck, een postdoc die inmiddels
verbonden is aan Stanford University.
“De grove schets van het reparatiemechanisme
12
was in de wetenschap al een tijdje bekend”, zegt
Dekker. “Maar wij hebben nu voor het eerst
kunnen zien wat er precies gebeurt als beide
moleculen elkaar treffen.”
Lange tijd werd gedacht dat het afgebroken
stuk DNA actief op zoek ging naar een
reparatiesjabloon. Hiervoor zou het gebruik
maken van het zogenaamde RecA-eiwit, een
eiwit dat aan het afgebroken DNA bindt en
daar een lang filament vormt. Dat filament
zou de omgeving afspeuren naar het juiste
template-DNA en er bij een match voor zorgen
dat de twee DNA strengen tijdelijk sterk met
elkaar verweven raken, als een soort rits die
dichtgetrokken wordt.
Dat van die ritssluiting klopt wel en ook het
feit dat het RecA-eiwit een rol speelt bij dit
verwevingsproces, maar volgens Dekker en
zijn collega’s komen de DNA-strengen bij
elkaar door toevallige ontmoetingen. “Het
zijn de vele parallelle random botsingen die
er uiteindelijk toe leiden dat de juiste match
gevormd wordt. Dat gebeurt heel snel. Binnen
een minuut of vijf. En dat in die enorme
oceaan met miljarden DNA-fragmenten. Het is
echt opmerkelijk.”
Adembenemende hoogstandjes
Het werk maakt indruk in het vakgebied.
“Het is een bijzonder interessante paper met
adembenemende technische hoogstandjes”,
zegt DNA-reparatie-expert prof. Jan
Hoeijmakers van de Erasmus Universiteit
die niet bij het onderzoek betrokken was.
”Het levert inzicht op nanoniveau in de
belangrijkste stap van homologe DNArecombinatie.”
Aangezien de homologe recombinatie van
DNA ook plaatsvindt tijdens de vorming
van geslachtscellen is het onderzoek volgens
Hoeijmakers “ook van belang voor het
verkrijgen van inzicht in het ontstaan van
genetische diversiteit en evolutie”.
De technologie die de onderzoekers
ontwikkelden, maakte het ook mogelijk om
de DNA-helix wat te ontrollen of juist strakker
te wikkelen. De mate waarin de moleculen in
de streng waren opgewonden, bleek van grote
invloed op het herkenningsproces.
De bionanotechnologen zijn nu druk doende
het aan- en weer losdraaien van het DNA beter
onder de knie te krijgen.
“Geen mens weet hoe de kronkelingen
bewegen door DNA. Het is een heel
ingewikkeld proces”, vertelt Dekker tijdens een
rondleiding door zijn laboratoria. “Dat kun je
je misschien het beste voorstellen als je je zo’n
ouderwetse gedraaide telefoonsnoer voor de
geest haalt.”
Als zo’n snoer op een bepaalde plek extra
veel wikkelingen heeft en je wilt die kronkels
verplaatsen naar elders in het draad, dan moet
je door die kronkels heen, draaien en trekken...
enfin, het is een heel gedoe, zo probeert de
hoogleraar uit te leggen terwijl hij met zijn
handen draaiende en zwaaiende bewegingen
maakt.
Op de achtergrond in het lab maken
honderden piepkleine bolletjes ook draaiende
bewegingen op een beeldscherm. Het zijn
De in groen filament gehulde gebroken DNA-streng botst tegen een andere DNA-streng op zoek naar een match, waarna de reparatie van start gaat.
DNA-moleculen. Aan de ene kant zijn ze
bevestigd aan een glazen plaat en aan de
andere kant vastgeplakt aan een klein plastic
bolletje die voorzien zijn van stukjes metaal
zodat ze met magneten gestuurd kunnen
worden.
Het preparaat ligt twee meter verder onder een
microscoop. Behalve een knop om mee scherp
te stellen is er ook een knop waarmee een
‘De DNA-strengen
komen bij elkaar door
toevallige ontmoetingen’
magneetveld gestuurd kan worden. Het is een
opstelling met vrij simpele video-microscopie,
aldus Dekker, die hem eind jaren negentig
afkeek van een onderzoeksgroep uit Parijs en
hem sindsdien heeft verbeterd.
“Die draaiende bewegingen die je nu op het
beeldscherm ziet, zijn Brownse bewegingen
(bewegingen veroorzaakt door botsingen
van het DNA met watermoleculen, red.).
We kunnen die bewegingen kleiner maken
door het DNA met het magneetveld strakker
te trekken. Op deze manier meten we de
mechanische eigenschapen van het DNA.
En we kunnen nagaan hoe die mechanische
eigenschappen veranderen als we een bepaald
eiwit toevoegen, bijvoorbeeld een eiwit dat
betrokken is bij het ontstaan van supercoils
(extra strak aangedraaid DNA, red.). We zien
dus echt de interactie tussen moleculen.”
Met een dergelijke opstelling verrichtten de
bionanotechnologen ook hun experiment
met gebroken DNA-moleculen en het Recaeiwit. Alleen gebruikten ze daar toen nog een
extra hulpmiddel bij: een laser. Die gebruikten
ze als een soort optisch pincet waarmee
ze veel gerichter aan de plastic bolletjes
konden trekken. In het brandpunt van twee
laserstralen hielden ze die bolletjes gevangen.
Een van de uitdagingen van het onderzoek
was het verbinden van de bolletjes en het
eiwit aan het DNA. Het onderzoeksteam
maakte daarvoor handig gebruik van de
vloeistofmechanische eigenschappen van een
laminaire stroom en gingen ‘hengelen’.
Tour de force
“Het was een tour de force”, zegt Dekker. Hij
maakt een snelle schets. “Kijk als je hier een
laminaire vloeistofstroom hebt, dan kun je
daarin parallel aan elkaar verschillende stoffen
en onderdelen laten mee stromen. Doordat de
stroom laminair is mixen de onderdelen niet
met elkaar. Hier boven laat je plastic bolletjes
stromen (met daaraan vast eiwit dat hecht aan
het DNA), in het midden het RecA-eiwit en
daaronder weer bolletjes. Om het preparaat
te maken moet je het stuk DNA vervolgens
loodrecht door die stroom heen trekken. Zo
deden we de assemblage. Een beetje trekken
aan het DNA molecuul… ah we hebben
beet, dan zat het eerste bolletje eraan vast.
Vervolgens trokken we verder door de stroom
met RecA-eiwit.”
Dat de resultaten uiteindelijk niet gepubliceerd
zijn in Nature, betreurt Dekker wel een
beetje. “Daar hadden we in eerste instantie
op gemikt.” Bij het vervolgonderzoek aan
supercoils wil Dekker live naar de dynamica
van de moleculaire processen kijken. “We
gebruiken bij dit onderzoek een extra magneet
waarmee we de DNA-moleculen horizontaal
trekken. Aan het eiwit dat voor de supercoils
zorgt, voegen we kleurstof toe en zo kunnen
we dus zien waar de supercoils zich bevinden
en hoe ze door het DNA bewegen.”
En de onlangs aangestelde postdoc Hugo
Snippert, door Dekker aangetrokken vanuit
het vermaarde laboratorium van geneticus
Hans Clevers (het Hubrecht Instituut), gaat de
experimenten met het RecA-eiwit herhalen,
maar dan in levende bacteriecellen.
De hoogleraar glundert. Hij ziet de volgende
grote publicatie al voor zich.
Vlak voor het ter perse gaan van Delft
Integraal scoorden de onderzoekers van
de afdeling bionanoscience met nog een
spraakmakende publicatie. Ze publiceerden
over een door hen ontwikkeld instrument
om zeer precieze metingen aan draaiingen in
individuele DNA-moleculen te verrichten.
Xander Janssen et al, ‘Electromagnetic
Torque Tweezers: A Versatile Approach for
Measurement of Single-Molecule Twist and
Torque’. Nano Letters (2012).
13