Zoogdiercellen gebruikt voor ‘DNA-computer’

DNA-recombinase

DNA-recombinases herkennen ‘hun’ stukje DNA, knippen dat er uit en hechten de ‘wond’ weer

DNA intrigeert, ook de computerbouwers zijn geïnteresseerd. DNA zou het perfecte materiaal zijn om langdurig veel gegevens op te slaan, maar met DNA zou ook te rekenen zijn. Nu schijnen onderzoekers zoogdiercellen genetisch te hebben aangepast met als doel het DNA complexe taken te laten uitvoeren. Let wel: die uiterst competente ‘DNA-computer’ is er nog niet. Hun ‘DNA-computer’ kan wel Booleaanse operaties uitvoeren, maar ze denken hun nieuwe programmeringstechnieken toch vooral te gebruiken voor de verbetering van behandelmethoden: van kankertherapieën tot het aanmaken van nieuwe weefsel.

Om levende cellen en vooral het DNA daarin te gebruiken als computers is al een relatief oud idee. Dat is natuurlijk niet zo raar, want veel wat er in een cel gebeurt, en dat is nogal wat, wordt gestuurd in een ingewikkeld samenspel, waarin biomoleculen een hoofdrol spelen. Voor zover (mij) bekend is daar nog niet erg veel uitgekomen. De meeste van die computerexperimenten zijn gedaan met Escherichia coli en andere bacteriën. Het DNA van bacteriën is klein en relatief makkelijk te manipuleren. Zo hebben bacteriën geen celkern (met kernmembraan), waarin bij zoogdiercellen het DNA wordt bewaard. Er zijn onderzoeken uitgevoerd, waarbij verschillende gencircuits in een bacteriecel samenwerken om wat ingewikkelder dingen te doen dan een lichtje laten branden als het zuurstofpeil boven een bepaalde waarde komt.
Onderzoekers hebben geprobeerd om met zoogdiercellen (eukaryoten) genetische circuits te maken die, bijvoorbeeld, ziektes kunnen detecteren, maar dergelijke experimenten zijn niet erg succesvol geweest. Voor wat ingewikkelder ‘rekenwerk’ moeten genen in- en uitgeschakeld worden. Dat kun je op een aantal manieren doen, maar het makkelijkst lijkt het om dat te doen met zogeheten transcriptiefactoren. Die eiwitten reguleren de expressie (=activiteit) van een gen. “Het vervelende is alleen”, zegt Wilson Wong van de universiteit van Boston, “dat die niet allemaal op dezelfde manier werken.”

Knipenzymen

Transcriptiefactoren zijn dus niet de ideale ‘schakelaars’ voor Wongs ‘DNA-computer’. Hij en zijn medeonderzoekers zochten hun heil bij enzymen die specifieke stukjes DNA wegknippen: de DNA-recombinases. Als zo’n knipenzym zijn stukje DNA herkent, meestal zo’n 30 tot 50 basenparen lang, dan knipt dat dat stukje weg en naait de eindjes weer aan elkaar.
Voor hun gencircuits maakten de onderzoekers gebruik van het normale mechanisme om een stuk DNA te kopiëren op RNA, waarna dat RNA in het ribosoom wat afgelezen en omgezet in eiwitten. Op zo’n gen zit een stukje DNA dat promotor wordt genoemd. Als die geactiveerd wordt dan gaat het hele circus van start. Het gen wordt gekopieerd tot een andere stukje van het gen wordt bereikt, de stopsequentie, dat het kopiëren afsluit.

Om een simpel gencircuit te maken voegden de onderzoekers vier extra stukjes DNA in na een promotor. Het belangrijkste stuk codeerde voor een fluorescerend eiwit (GPF), maar daarvoor hadden Wong en de zijnen een stopcode ingevoegd, geflankeerd door twee stukjes die met het enzym DNA-recombinase communiceerden. Ze voegden ook nog een gen toe dat codeerde voor een gemuteerde DNA-recombinase. Dat recombinase-enzym zou alleen actief worden als er een bepaalde stof aanwezig was, zo niet dan werd er niet geknipt.
Als de promotor voor het GPF-gen werd geactiveerd, dan stopte het RNA-polymerase met het kopieren van DNA en werd er dus geen lichtgevend eiwit aangemaakt. Als de bepaalde stof werd toegevoegd dan werd het DNA-recombinase actief en knipte de stopsequentie uit het gen, die voorkwam dat RNA-polymerase het GPF-gen kopieerde. En er was licht (dus).
De onderzoekers lieten ook zien dat als ze recombinases toevoegden met andere doelen op het DNA, ze een waaier aan genschakelingen konden bouwen, die elk een logische operatie uitvoerden. Dat scheen kennelijk zo goed te gaan dat ze 113 verschillende schakelingen maakten met slaagcijfer van 96,5%.

Als kers op de taart veranderden ze het DNA van een menselijke cel zo dat die een biologische equivalent van een Booleaanse bewerking uitvoerde, met zes invoerfactoren die te samen leidden tot zestien verschillende logische operaties.

Bewijs van werking

Hoewel het Wong en de zijnen ging om het bewijs te leveren dat een ‘DNA-computer’ geen onzin is, gaat het hun toch vooral om medische toepassingen. Zo denken de onderzoekers afweercellen (T-cellen) genetisch zo te kunnen veranderen met genschakelingen dat die cellen vernietigen als er een aantal kenmerken aanwezig is dat wijst op kankercellen. Ook willen ze hun ‘computer’ gebruiken om stamcellen aan te zetten zich te ontwikkelen tot een bepaald type cel afhankelijk van bepaalde omstandigheden, dat zou bijvoorbeeld nieuw weefsel kunnen zijn zoals insulineproducerende beta-cellen of kraakbeenproducerende chondrocyten.

Bron: Science

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.