20 oktober 2009, 2009/41
Spanning doet DNA smelten
Wat gebeurt er met DNA als je er hard aan trekt? Het antwoord op deze
vraag biedt nieuwe mogelijkheden om te onderzoeken hoe DNA wordt
gebruikt in levende organismen. Wetenschappers steggelen er dan ook al
tien jaar over. Onderzoekers Wuite en Peterman van de Vrije
Universiteit te Amsterdam hebben nu, samen met onderzoekers van de
Stichting FOM en collega's uit Zweden en Frankrijk, eindelijk het
antwoord gevonden. Door gebruik te maken van een unieke techniek
waarmee 'foto's' van het DNA te maken zijn terwijl het opgerekt wordt
hebben de onderzoekers nu aangetoond dat de twee strengen waaruit DNA
bestaat loslaten (smelten) tijdens het oprekken, net zoals gebeurt
tijdens verhitten. Ze publiceren hun resultaten deze week in het
gerenommeerde tijdschrift Proceedings of the National Academy of
Sciences (PNAS).
Figuur 1. Artist's impression
vergroten Figuur 1. Artist's impression
Artist's impression van het smelten van DNA onder spanning. Indien
hard aan DNA getrokken wordt met optische pincetten (afgebeeld met de
rode kegel en de witte bol) smelt het: de baseparen tussen de twee
DNA-strengen breken en de dubbele helix structuur verdwijnt. Er
blijven twee losse strengen DNA over.
Figuur 2. Fluorescentie microscopie afbeelding
vergroten Figuur 2. Fluorescentie microscopie afbeelding
Fluorescentie microscopie afbeelding van DNA dat smelt onder spanning.
De twee gele cirkels, links en rechts, zijn de bolletjes waarmee het
DNA vastgehouden wordt in de optische pincetten. Tussen de bolletjes
is het DNA horizontaal opgespannen: in groen is het enkelstrengs
gedeelte zichtbaar gemaakt, in rood het dubbelstrengs. Het groene
stukje enkelstrengs DNA in het midden, loodrecht op het DNA is
opgespannen door gecontroleerde vloeistofstroming van boven naar
beneden.
Smeltend DNA
DNA, de drager van ons erfelijk materiaal, begint te smelten wanneer
het wordt verhit. Bij een temperatuur van zo'n 70 tot 80 graden
Celsius laten de twee om elkaar gewonden strengen waaruit het molecuul
bestaat langzaam maar zeker los. Nu is aangetoond dat dit ook gebeurt
als er hard aan het DNA wordt getrokken. Deze ontdekking is belangrijk
omdat het tot nieuwe mogelijkheden kan leiden om de binding van
eiwitten aan DNA te onderzoeken. Dit is een van de meest fundamentele
processen voor het repareren, kopiëren, aflezen en instant houden van
DNA in levende organismen.
Overstrekken in beeld
Met geavanceerde natuurkundige technieken is het mogelijk een enkel
DNA molecuul op te rekken en tegelijkertijd te meten hoe elastisch het
is. Op deze manier is ruim tien jaar geleden ontdekt dat DNA, als er
hard genoeg aan getrokken wordt, plotseling bijna twee keer zo lang
kan worden zonder kapot te gaan. Tot voor kort was niet duidelijk wat
er nu precies gebeurt bij dit zogenaamde 'overstrekken' van DNA. Nu is
het de Amsterdamse onderzoekers gelukt om dit beter in beeld te
krijgen. Zij beschikken namelijk over wereldwijd unieke instrumentatie
die het voor het eerst mogelijk maakt om zeer nauwkeurig en gevoelig
'foto's' te maken van het DNA terwijl het opgerekt is. Daarbij hebben
de onderzoekers gebruik gemaakt van gekleurde eiwitten die aangeleverd
zijn door Zweeds en Franse collega's.
Controverse opgelost
Met deze techniek kon het team van onderzoekers laten zien dat bij het
overstrekken enkelstrengs DNA ontstaat (de strengen laten elkaar los).
DNA smelt dus inderdaad als er kracht op wordt uit geoefend. Zonder
ingewikkelde berekeningen of theorieën is zo in één klap de
controverse over wat overstrekken precies is opgelost. Deze ontdekking
baant de weg voor nauwkeurige wiskundige modellen voor de structuur en
stabiliteit van DNA en een beter begrip van biologische processen.
Referentie
'Unraveling the structure of DNA during overstretching using
multicolor, single-molecule fluorescence imaging', Joost van Mameren,
Peter Gross, Geraldine Farge, Pleuni Hooijman, Mauro Modesti, Maria
Falkenberg, Gijs Wuite en Erwin Peterman.
PNAS MS #2009-04322RR
Stichting FOM