Bepalen DNA volgorde gaat steeds sneller

Nog steeds hakketakken moleculair-biologen over de aanpak van het Menselijk Genoom Project, de bepaling van de complete volgorde van ons DNA. Intussen schrijdt de DNA-sequentie techniek stil maar onstuitbaar voort.

Weinig onderzoekers twijfelen er nog aan dat de opheldering van de precieze volgorde van de circa 3 miljard baseparen van het menselijk genoom de komende tien à twintig jaar zijn beslag zal krijgen. De vruchten van deze mega-exercitie, een staaltje big science dat in de biologie zijn weerga niet kent, zullen voor de menselijke genetica en de geneeskunde groot zijn, immers: van elk gen waarvan men de functie en de pathologie wil onderzoeken zal exact bekend zijn op welke positie op welk chromosoom het ligt en welke moleculaire structuur het heeft. Die informatie zal, eenmaal verzameld, een blijvende referentie zijn bij de studie van onder meer erfelijke afwijkingen.

Zonder twijfel zullen tijdens het project ook een groot aantal nieuwe genen worden ontdekt. Een aanwijzing daarvoor geeft de complete sequentie van chromosoom 3 van Saccharomyces cerevisiae (bakkersgist) dat onlangs in een Europees samenwerkingsverband is bepaald en waarin het merendeel van de aangetroffen "open leesramen' (potentiële eiwit-coderende genen) het aantal bekende genen verre overtrof.

Het is heel wel mogelijk dat veel "verstopte' genen die aldus worden gevonden op geen enkele andere wijze aan het licht kunnen worden gebracht. Dat is zowel voor "overbodige' als "absoluut essentiële' genen het geval, want beide soorten kan men niet met de gebruikelijke moleculair-genetische technieken oppikken. Een mutatie in een overtollig gen (bijvoorbeeld een identieke kopie van een ander, wel functioneel gen) onttrekt zich aan de waarneming, evenals een dodelijke mutatie in een absoluut essentieel gen, dat daardoor niet verder kan worden geïsoleerd.

Afstompend

Het sequencen van complete zoogdiergenomen (een genoom is de totale hoeveelheid DNA van een organisme) is voorlopig nog een veel te dure, tijdrovende en afstompende affaire. De kosten lopen met de huidige technieken nog steeds op tot zo'n vijf à tien gulden per basepaar, wat voor genomen in de orde van een miljard baseparen wel erg onaantrekkelijk is. Zelfs bij een zeer grootschalige aanpak kan een sequentieproject vele jaren kosten. Bovendien zal het moeilijk zijn om daar analisten voor te vinden, want het werk is een beetje saai en slaapverwekkend.

Gezien deze factoren is het niet verbazend, dat er veel onderzoek wordt gestoken in de ontwikkeling van high-tech methoden voor automatische sequentiebepaling. Een van de twee meest vooraanstaande laboratoria in de wereld waarin dit onderzoek geschiedt is het European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg (de andere groep bevindt zich in Cal Tech in Californië). Een groep onder leiding van de Italiaan Wilhelm Ansorge is al jaren bezig om de techniek van het sequencen te herleiden tot een in hoge mate geautomatiseerd proces dat tientallen tot honderden keren sneller gaat dan de conventionele technieken.

tk

On line

Bij deze on-line methode van sequentiebepaling leest een computer de DNA-volgorde rechtstreeks uit een opeenvolging van vier verschillende soorten meetpieken. De bepaalde volgorde hoeft dus niet meer handmatig in een computerbestand te worden ingetikt. Hij zit direct in het systeem en er kunnen meteen allerlei operaties mee worden uitgevoerd, zoals het afleiden van eiwitsequenties of het bepalen van overeenkomsten (homologieën) met andere stukken DNA.

Het handmatig sequencen van enkele jaren terug verhoudt zich tot dit on-line sequencen als de klerk tot de kantoormachine. De huidige commercieel verkrijgbare automatische DNA sequencers halen snelheden van 40 tot 100 basen per uur per kloon. De limiterende factor voor die snelheid is het tempo van de gebruikte scheidingstechniek - gel-elektroforese - die op zijn beurt afhankelijk is van onder meer de structuur en de dikte van de gel, het aangelegde voltage en de temperatuur. Op deze fronten probeert de groep van Ansorge de grenzen te verleggen.

Ansorge: ""Hoe hoger je voltage en hoe dunner de gel, hoe sneller de elektroforese. Maar hoge voltages geven veel warmteontwikkeling, die je moeilijker af kunt voeren naarmate de gel dunner is. Het is daarom absoluut noodzakelijk om de temperatuur van de gels onder controle te houden. Maar daarnaast besteden we bijvoorbeeld ook uitgebreid aandacht aan de matrixstructuur van de gels.''

De EMBL-groep werkt samen met het biotechnologiebedrijf Pharmacia LKB aan de ontwikkeling van commerciële systemen. Hun Automated Laser Fluorescent DNA Sequencer werkt met gels van 0,5 mm dik en levert 40 tot 100 basen per uur. Een nieuw model dat in ontwikkeling is werkt met gels van 0,3 mm en bereikt snelheden van 250 tot 300 basen per huur per kloon, maar een werkelijk grote sprong voorwaarts belooft een systeem met ultradunne (0,1 mm) gels. Ansorge: ""Een prototype dat we daarvan in het laboratorium hebben staan haalt snelheden van 1000 tot wel 2500 baseparen per uur per kloon. De dag is niet ver meer dat één technicus op een dag 50 kilobase (50.000 baseparen) DNA kan sequencen.''