Trekken aan moleculen

Wel eens gemeten hoe lang een molecuul is? Of eraan getrokken? Het lijkt onmogelijk, maar het kan echt. Fysici hebben de laatste paar jaar technieken ontwikkeld waarmee afzonderlijke moleculen kunnen worden gehanteerd alsof het bolletjes of elastiekjes zijn. En waar de een dat doet met behulp van een magneet, gebruikt de ander bij voorkeur een laserbundel: aan moleculen trekken met licht. Het lijkt wel science fiction.

Hoe het ook gebeurt, het illustreert eens te meer dat voor iemand met voldoende experimenteel vernuft tegenwoordig geen vraag meer te gek hoeft te zijn. En als je eenmaal de eigenschappen van afzonderlijke moleculen goed hebt bestudeerd, wordt het mogelijk om de macroscopische eigenschappen van (geconcentreerde) oplossingen of zuivere vaste stoffen te begrijpen.

Nu is vooral de theoretische beschrijving van polymeren (plastics) bijzonder ingewikkeld. Dat zijn immers lange moleculen, opgebouwd uit basiseenheden, die zich ten opzichte van elkaar kunnen bewegen: een nachtmerrie voor een theoreticus. Daarbij zitten er in een gemiddeld polymeermonster ook nog eens moleculen met allerlei verschillende lengtes, iets wat een direct gevolg is van de manier waarop ze worden gesynthetiseerd. Dat is dan ook de voornaamste reden dat de meeste experimenten met lange moleculen tot nu toe gedaan zijn met een 'ideaal' model: het DNA van de lambda faag. Dat is niet al te lang, maar ook weer niet zo kort dat het te eenvoudig zou zijn, en daarbij zorgt de natuur ervoor dat alle moleculen in de oplossing er precies hetzelfde uitzien.

Probleem

Dan is er nog een ander probleem. Want hoe krijg je een molecuul in beeld? Nu zijn polymeren gelukkig enorm lang - tot soms wel vele honderdste millimeters - en ze zijn dus in principe makkelijk door een optische microscoop te zien, als ze maar niet zo vreselijk dun waren. Met een dergelijk probleem kampen ook vogels in de buurt van elektriciteitsdraden: tientallen meters lang, maar onzichtbaar en dus levensgevaarlijk. Vandaar dat er op vaste afstanden grote ballen aan bevestigd worden: die geven aan waar de draden lopen. Een zelfde truc wordt uitgehaald met het faag DNA: dat wordt voorzien van fluorescerende markers, lichtgevende moleculen. Als je er daarvan nu maar voldoende aan een DNA-molecuul vasthecht, kun je het met een gevoelige detector en een microscoop waarnemen. Als je er dan ook nog eens aan wilt gaan trekken, is er meer nodig, want een molecuul pak je niet zomaar vast. Daarom wordt er aan één of beide uiteinden met behulp van een chemische reactie een klein kraaltje bevestigd, gemaakt van magnetisch materiaal, of gewoon van glas. Dat gaat als handvat fungeren. Hoe je een magnetisch deeltje kan bewegen spreekt vanzelf, maar het glazen kraaltje kan worden gevangen in het brandpunt van een sterke laserbundel, iets wat wel een optische pincet wordt genoemd. Door deze met behulp van spiegeltjes te verplaatsen, wordt het kraaltje (samen met het DNA) meegesleurd.

Dan kan het experiment pas echt beginnen. Zo werden in de groep van Steven Chu aan de Universiteit van Stanford in Californië, DNA-moleculen aan één kant met een optische pincet vastgehouden in een snel stromende oplossing. Hierbij werden ze vanuit een kluwen tot hun volle lengte uitgerekt. Als de stroming vervolgens werd afgezet kon ook de relaxatie worden gevolgd (Science, 6 mei '94; Science, 7 april '95). Hoe dergelijke dynamische eigenschappen afhangen van de lengte en het molecuulgewicht, kon zo voor het eerst direct worden bepaald. Ook kon de invloed van de stroperigheid en zoutconcentratie van het oplosmiddel worden nagegaan. Tot nog toe was dergelijke informatie alleen maar indirect te verkrijgen door het (gemiddelde) gedrag van grote aantallen moleculen samen te volgen.

Wanneer er kralen aan beide uiteinden worden gezet en een roterend magneetveld wordt aangelegd, kan supercoiling worden waargenomen, het verschijnsel waarbij de DNA-helix op grotere schaal nóg een soort helixstructuur vormt. Dit kan heel aardig met een elastiekje worden geïllustreerd: neem beide uiteinden tussen duim en wijsvinger van elke hand en draai het in tegengestelde richtingen. Wanneer de uiteinden nu naar elkaar toe worden bewogen ontstaan haarspeld-achtige structuren, supercoils.

Chu wist ook een prachtige illustratie te geven van een essentiële aanname binnen de theorie die onder andere door de Franse Nobelprijswinnaar De Gennes voor polymeren in oplossing was opgesteld (Science, 6 mei '94). Wanneer een polymeer zich als enige in een oplossing bevindt, kan het vrijelijk bewegen. De Gennes realiseerde zich echter dat dat in een oplossing of in een smelt, te midden van talrijke andere moleculen, heel anders is: de ketens zullen zich in dat geval tot een chaotische kluwen hebben 'verknoopt'. Het enige wat zich nog een beetje vrijheid kan verschaffen is de kop, en dat heeft weer tot gevolg dat wanneer het molecuul zich voortbeweegt het beperkt is tot een dunne buis rondom zijn eigen lengte. De Gennes noemde dit verschijnsel reptatie, afgeleid van het woord reptiel, omdat de voortbeweging lijkt op die van een slang. Dat fenomeen kon nu voor het eerst ook echt worden waargenomen. Op de foto is te zien hoe de staart van het DNA-molecuul precies de grillige bewegingen van de kop volgt, die door het balletje wordt voortgetrokken.

Het blijft echter niet bij dergelijke interessante, maar kwalitatieve waarnemingen. Zo is de wrijving die een molecuul van zijn buren ondervindt al kwantitatief bepaald (Physical Review Letters, 18 sept. '95). Ook kan er met een precies bekende kracht aan een DNA-keten worden getrokken, waarbij de kracht kan variëren van een paar honderdste tot enkele tientallen piconewtons. Trek je nog harder - met een kracht van rond de vijfhonderd piconewton - dan knapt het molecuul.

Onlangs werd tegelijkertijd door twee concurrerende groepen een wel heel bijzonder gedrag van een dubbelstrengs DNA-keten waargenomen (Science, 9 febr. '96, p792 en p795). In beide experimenten liet men de kracht langzaam toenemen, waardoor de keten langer werd. Daar was natuurlijk niets vreemds aan. Wanneer er echter eenmaal een kracht van 65 piconewton was bereikt, bleef de lengte toenemen, zonder dat er harder hoefde te worden getrokken. Blijkbaar treedt er op dit punt in de dubbele helix een structuurverandering op. Computerberekeningen aan molecuulmodellen laten in uitgerekte toestand inderdaad een veel dunnere wenteltrap zien, waarin de basen scheef staan. Het zou echter ook best mogelijk kunnen zijn dat de helix volledig uitgestrekt wordt, van een wenteltrap tot een ladder, al sneuvelen hierbij ongetwijfeld een paar sporten. De kunst is nu om ook dat weer in beeld te brengen. Voor wie de experimenten met DNA-moleculen met eigen ogen wil aanschouwen is er op http:/ /alice.uoregon.edu /steve /DNAstr.html een korte video te zien van een van de hierboven beschreven experimenten.

Ook de trekkracht die moleculen zelf uitoefenen kan op de proef worden gesteld. Onlangs gebeurde dit met het RNA-polymerase, een eiwit dat zorgt voor de vorming van RNA. Het zet zich vast op een stukje DNA, dat als mal gaat fungeren, en beweegt zich daar vervolgens stap voor stap over voort, onderweg de genetische informatie 'vertalend'. Nu gaat dat niet zomaar. De DNA-keten is supercoiled en ligt dus niet vrij. Er moet dus nogal wat arbeid - 'graafwerk' - verricht worden om bij de afzonderlijke basen te komen. Hoeveel vermogen dat precies kost, was eigenlijk volledig onbekend, maar moest relatief makkelijk met een optische pincet te meten zijn. Allereerst werd daartoe het RNA-polymerase vastgezet op een glasplaatje, natuurlijk zonder dat het zijn activiteit verloor. Alleen moest het nu wel het DNA onder zich doortrekken om het af te kunnen lezen. Door het DNA tegen te houden met behulp van een eraan vastgezet glazen kraaltje en een optische pincet, kon de kracht van het eiwit direct worden gemeten (Science, 8 dec. '95).

Alles is relatief

Tot verbazing van de onderzoekers bleek het polymerase bijzonder sterk: met wel 14 piconewtons - alles is relatief - werd er aan het DNA getrokken. Dat lijkt weinig, maar is bijna twee keer zo veel als de speciale motoreiwitten kunnen uitoefenen, wier taak het is om in de cel van alles te transporteren. Bovendien blijkt het polymerase zeer efficiënt met brandstof om te springen. Nu waren er op grond van andere experimenten al eerder aanwijzingen verkregen dat het polymerase soms abrupt stopt en omkeert, of plotseling tien basen overslaat. Die subtiele effecten kunnen straks direct worden gevolgd. Ook kan het effect van regel- en suppressorenzymen worden bestudeerd. Dergelijke experimenten zullen volgens een commentaar in Science een hele nieuwe dimensie toevoegen aan het begrip van de interactie tussen eiwit en DNA.

    • Rob van den Berg