DNA/eiwit-draden vormen zich spontaan door zelfassemblage (afb: Caltech)

DNA is niet alleen het gigamolecuul dat ons erfgoed ‘draagt’, maar dit kernzuur wordt ook steeds vaker gebruikt als bouwma-teriaal voor, bijvoorbeeld, ‘drugskoeriers’, bodes die medicijnen of iets dergelijks in cellen moeten afleveren. Daarbij is het een voordeel dat DNA voor het lichaam onverdacht is. Dergelijke DNA-constructen worden wel al op enige schaal gesynthetiseerd, maar het schijnt tot nu toe dat het dan om bouwsels ging van of eiwitten of (stukken) DNA. Onderzoekers van Caltech in de VS zeggen nu voor het eerst een construct te hebben gemaakt van eiwitten én DNA en kanker(bestrijding) komt meteen weer om de hoek kijken.

De mogelijkheid om biomateriaal naar eigen inzicht te ontwerpen zou benut kunnen worden in tal van toepassingen, denken de onderzoekers. Zo zou DNA gebruikt kunnen worden als ‘verpakkingsmateriaal’ van medicijnen en zouden synthetische eiwitten kunnen worden ingezet voor de bestrijding van virussen. Synthetische biomaterialen die uit diverse componenten bestaan, zoals dus DNA en eiwitten, zouden nog meer mogelijkheden bieden, stelt onderzoeker Yun Mou. “Dan is de functionaliteit groter. Eiwitten, bijvoorbeeld, zijn voor veel dingen inzetbaar, zoals eiwit/eiwit-wisselwerkingen of als enzym om een reactie te versnellen. DNA is makkelijk te programmeren in nanostructuren in vele afmetingen en vormen.” Dat is mooi, maar hoe maak je een DNA/eiwit-draad als je die nog nooit gezien hebt? De onderzoekers begonnen, het zal niet verbazen, op de computer om zo’n hybride materiaal te ontwerpen. Mou: “Je kunt beginnen en zien wat het oplevert, maar het is beter en efficiënter om eerst te voorspellen hoe zo’n structuur er uit moet zien en dan een eiwit te ontwerpen om dat materiaal te maken.”
Aldus geschiedde. Het computerprogramma spuugde en reeks aminozuren (de bouwstenen van eiwitten) uit en DNA-bouwblokken, waaruit het gewenste materiaal zou moeten bestaan. De onderzoekers voeren niet blind op het rekentuig. Zo’n construct moet wel zin hebben, anders hoef je de synthese niet eens aan te vatten. Mou: “Uiteindeljk kies je de structuur en aminozuurreeks waarover jij en de computer het eens worden. Dan kan je de aminozuren en DNA-bases mengen die je nanodraad moeten vormen.”
Het resultaat was een kunstmatige versie van een eiwit/DNA-koppeling die ook in de natuur voorkomt. Om DNA af te schrijven op RNA (de transcriptie) binden eerste bepaalde eiwitten, de zogeheten transcriptiefactoren zich aan het DNA op de zogeheten eiwitbindingsdomeinen. Met behulp van de computer knutselden de onderzoekers een stuk DNA in elkaar met veel van die eiwitbindingsdomeinen op regelmatige afstanden. Vervolgens kozen ze de transcriptiefactor Engrailed van het fruitvliegje. De transcriptiefactor moest nog wel worden aangepast om niet alleen aan DNA te binden, zoals normaal, maar ook aan een ander eiwit, om de beoogde DNA/eiwit-draden te krijgen. Mou noemt dat de transcriptiefactor twee handen geven in plaats van een.
Het hybride materiaal vormt zich alleen als zowel de eiwit- als DNA-bouwstenen aanwezig zijn, dat heet coassemblage. Eerder is wel materiaal gemaakt uit DNA waar later eiwitten aan werden toegevoegd. Volgens de onderzoeker is coassemblage belangrijk om de nanodraad te kunnen maken wanneer en waar die nodig is.
Het onderzoek borduurt voort op eerder werk uit 1997, waarbij, misschien wel voor het eerst, kunstmatige eiwitten werden gesynthetiseerd, waarmee een historie een aanvang nam in het ontwerpen van eiwitten, die nieuwe mogelijkheden en functies hebben. “Ons vroege werk richtte zich vooral op het ontwerpen van oplosbare eiwitsystemen. Dit betekent een belangrijke uitbreiding van activiteiten in het rijk van de gemengde biomaterialen”, zegt hoofdauteur Stephen Mayo.
De onderzoekers hebben nou het reken- en bak- en braadwerk achter de rug en gaan nu eens kijken wat je er eigenlijk mee kan. Mou: “Misschien kan het medicijnen afleveren in bepaalde typen cellen, gekenmerkt door bepaalde receptoren op het membraan, zoals kankercellen. We kijken ook naar de mogelijkheid van DNA/eiwit-draden bij gentherapie en wellicht zijn er nog vele andere mogelijkheden van dit spiksplinternieuwe materiaal die we nog niet eens bedacht hebben.”

Bron: Science Daily