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