In- en uitpakken

Hoe DNA zich ontvouwt tijdens het aflezen van de genetische code is nog altijd een raadsel. Met een magnetisch pincet is een tipje van de sluier opgelicht.

DNA STAAT AL MEER dan een halve eeuw bekend als een wenteltrap, maar het molecuul blijft verrassen. DNA kan vervormen als een harmonica, maar plaatselijk ook stokstijf staan. Dat ontdekken fysici en biologen de laatste jaren, eenvoudig door aan het molecuul te trekken.

``Het is erg leuk dat je met relatief simpele technieken veel nieuwe dingen te weten kan komen'', zegt dr. John van Noort, onderzoeker in het Huygens Laboratorium in Leiden en een van de eerste gebruikers in Nederland van het magnetisch pincet, een instrument waarmee je DNA kunt opspannen.

Met student Sander Verbrugge onderzocht Van Noort het afgelopen jaar hoe de kluwen DNA die ligt opgeslagen in de darmbacterie Escherichia coli zich opvouwt. Een bolvormig eiwit met twee kleine grijparmpjes (het HU-eiwit) speelt in dit proces een sleutelrol, maar welke? Biologen veronderstelden tot voor kort dat het DNA zich om deze eiwitten wikkelt. Zo ligt het compact en veilig opgeborgen. Maar volgens fysicus Van Noort hebben ze zich vergist. Het HU-eiwit rekt het DNA juist wat op, misschien wel om ruimte te scheppen voor de moleculen die het DNA moeten aflezen. Deze week publiceerden Van Noort en prof.dr. Cees Dekker deze conclusies in de online editie van The Proceedings of the National Academy of Sciences.

Transcriptie is het regelmechanisme dat ervoor zorgt dat de erfelijke code van een gen wordt gelezen en vertaald in een werkende katalysator of bouwsteen voor de cel. De precieze werking van transcriptie is een van de grote nog onopgeloste raadsels in de biologie. De vele keren opgevouwen DNA-wenteltrap strekt zich en de strengen wijken tijdelijk uiteen. Hoe dat precies gebeurt en wat de rol is van de aanhangende moleculen is onbekend. ``In dit dynamische proces hebben biologen veel inzicht verworven met zogeheten bulkmethoden'', zegt Van Noort. ``Je vertienvoudigt bijvoorbeeld de concentratie van stof Y en stelt vast dat van stof Z tien maal zo veel geproduceerd wordt.''

``Vergelijk het met een Marsmannetje dat wil begrijpen hoe mensen in Amsterdam zich voortbewegen'', zegt Van Noort. ``Hij kan vaststellen dat de gemiddelde snelheid tien kilometer per uur bedraagt. Maar wat betekent dat? Hij begint pas iets van het systeem te snappen als hij individuele reizigers bekijkt en ziet dat sommigen lopen, maar dat anderen de tram nemen of op de fiets stappen.''

Nieuwe fysische instrumenten bieden wél zicht op het individuele molecuul. Het magnetische pincet is er een van. Dit instrument kan beweging volgen, anders dan gevestigde technieken als röntgenkristallografie of de elektronenmicroscoop waarvoor moleculen eerst gefixeerd worden (of gekristalliseerd). In een magnetisch pincet kan DNA er echter lustig op los kronkelen. Als het molecuul in vloeistof wordt ondergedompeld kunnen eiwitten dezelfde functie vervullen als in het plasma binnen de wand van een levende cel.

Van Noort gebruikte een DNA-streng van tienduizend basen lengte. Het ene uiteinde plakte hij aan een glazen plaat, het andere voorzag hij van een magnetisch bolletje. In een oplossing kon het sliertje DNA met een magneet op spanning worden gebracht (zie tekening). De DNA-streng werd korter bij toevoeging van het HU-eiwit. Dit effect was voorzien: het HU-eiwit laat het DNA scharnieren, waardoor het als een harmonica in elkaar kan schuiven. Daarentegen stelde een verdere verhoging van de HU-eiwitconcentratie Van Noort voor een verrassing: het DNA kromp niet verder, maar werd juist weer iets langer en stijver bovendien. Volgens Van Noort is dit effect te verklaren doordat de HU-eiwitten dicht opeen een aaneengesloten reeks vormen langs het DNA. Van scharnieren is dan geen sprake meer. Dat kon hij verifiëren door het draadje van eiwit en DNA met een tastmicroscoop te `bekijken'. Een tastmicroscoop (Atomic Force Microscope) is een hefboom met een scherpe naald die platte oppervlakken aftast en individuele macromoleculen als gebobbelde oppervlakken registreert.

gestrekte vormVan Noort vermoedt dat het DNA in de door HU-eiwit gestrekte vorm makkelijker af te lezen is. Zeker is dat niet. Naast HU werkt nog een tiental andere eiwitten mee aan het op- en uitvouwen van het bacterieel genoom. Hoe dit precies in zijn werk gaat is nog onbekend.

``Dit in- en uitpakwerk van deze eiwitten is geen passief mechanisme om DNA in een kleine ruimte te proppen'', zegt Van Noort. ``De eiwitten hebben ook een functionele rol door DNA af te schermen of juist beschikbaar te maken zodat bouwstenen voor de cel op het juiste moment kunnen worden aangemaakt. Die timing maakt dat het mechanisme cruciaal is voor het functioneren van de cel.''

Ten tijde van het onderzoek aan het HU-eiwit werkte Van Noort aan de vakgroep Moleculaire Biofysica van de TU Delft. Begin dit jaar stapte hij over naar Leiden en vestigde er zijn eigen onderzoeksgroep. Een NWO-subsidie van 600.000 euro maakte het hem mogelijk in Leiden op eigen benen te staan. Van Noort heeft intussen de aandacht verlegd van bacteriën naar het in- en uitpakwerk van zogeheten eukaryotische cellen, cellen zoals die van de mens waarin het DNA is opgeslagen in een afzonderlijke celkern. ``Eukaryoten zijn relevanter'', zegt Van Noort. ``Het is bekend dat het op- en uitvouwen van DNA een rol speelt bij diverse vormen van kanker. Voor natuurkundigen is het eukaryotisch DNA ook buitengewoon interessant. Hoe banen de eiwitten die nodig zijn om het DNA af te lezen zich een weg door het enorme conglomeraat van DNA en eiwitten die ze in de celkern tegenkomen? Dat is voor mij de komende vijf jaar de centrale vraag.''