Molecuulrobot knutselt DNA-bouwwerken in elkaar

haarspeldmethode (PER-cascade) om DNA-constructies te bouwen

Haarspeldmethode om DNA-constructies te bouwen. De uitgangsstof (‘primer’) is grijs. De haarspeld bouwt al naar gelang de codering een nieuw stukje DNA en plakt dat aan de uitgangssequentie, enzovoort. (afb: Harvard)

We hebben het vaak over DNA, maar dan gaat het over het natuurlijke DNA, dat meterslange molecuul dat uit vier bouwstenen bestaat: de ‘letters’ A, C, G en T die twee aan twee onderling paren (AT en GC) vormen en, daarmee, een dubbel streng. Een van de dromen van de synbioloog is om, synthetisch, DNA te construeren, dat mooie, nieuwe eigenschappen heeft, met de gebruikelijke ‘letters’ of met nieuwe. Nu schijnen onderzoekers van de Amerikaanse Harvard-universiteit  met een ‘haarspeldmethode’ synthetisch DNA te hebben gemaakt dat zichzelf vormt. Ze schijnen dan vooral te denken aan ‘bouwmateriaal’ voor gerichte medicijnafgifte, sensoren of nanofabriekjes e.d., heel prozaïsch, maar ook aan het herprogrammeren van cellen. Lees verder

Celcircuits met geheugen

DNA-schakeling met geheugen
Ingenieurs van het MIT in Boston, onder aanvoering van Timothy Lu, hebben ‘genetische circuits’ in bacteriecellen aangebracht die niet alleen rekenfuncties uitvoeren, maar ook het resultaat onthouden door dat ‘op te slaan’ in het cel-DNA. Met die genetische schakelingen kunnen allerlei celprocessen worden aangestuurd zoals de aanmaak van bepaalde stoffen of de differentiering van stamcellen tot een bepaald type cellen. Ook kunnen de schakelingen worden gebruikt als sensor.
Synthetisch biologen zijn in staat om uitgaande van genetische ‘bouwstenen’ schakelingen te componeren die een bepaalde functie uitvoeren, zoals het meten van een bepaalde verbinding, waarna het circuit een vervolgactie in gang brengt zoals de productie van het groen fluorescerende eiwit GFP. Dat bouwen van een genetische schakeling heeft wel wat weg van dat van een elektronische schakeling. Genetische circuits kunnen echter ook zogeheten Booleaanse functies uitvoeren zoals die in de elektronica gebruikelijk zijn. Als er, bijvoorbeeld, twee verschillende verbindingen tegelijk aanwezig moeten zijn alvorens er een vervolgactie wordt geïnitieerd, dan zou je een EN-functie moeten bouwen. Zulke genschakelingen zijn niet nieuw.
Bij de circuits die tot nu toe zijn ‘gebouwd’ stopt het proces als, in het voorbeeld, een van beide stoffen niet meer aanwezig is. Lu en zijn medewerkers bouwden een schakeling met een geheugenfunctie in de ‘logische poort’ (zeg maar de OF- of EN-poort). Bij een genetische EN-poort kunnen twee verbindingen er voor zorgen dat bepaalde eiwitten worden geactiveerd die een bepaald gen aanschakelen. Lu maakte zijn schakelingen zo dat bij aanwezigheid van de twee stoffen dat deel van het DNA wordt veranderd dat verantwoordelijk is voor de productie van GFP. Deze delen van het DNA, de zogeheten promotors, activeren bepaalde eiwitten tot de transcriptie van het GFP-gen op RNA, die er op zijn beurt weer voor zorgt dat het ook geproduceerd wordt.
In het artikel in Nature Biology, waarin het proces wordt beschreven, geven Lu en co-auteurs het voorbeeld van twee zogeheten terminators tussen de promotor en het GFP-gen. Elk van de twee remt de transcriptie van het gen, maar ze kunnen door een bepaald enzym (een recombinase) worden ‘afgeschakeld’. Als de twee bewuste verbindingen aanwezig zijn, en de EN-poort dus ‘open’ staat, dan wordt het ‘schakelenzym’ aangemaakt, waarna vervolgens, met tussenkomst van RNA, in het ribosoom het GFP-eiwit wordt gesynthetiseerd. Als een van beide ontbreekt, dan is het GFP-gen geblokkeerd. Als de terminators eenmaal zijn uitgeschakeld, dan kunnen ze niet weer worden ingeschakeld. Dat is nu dus het ‘geheugen’ van de genetische schakeling. Dat in het DNA vastgelegde ‘geheugen’ is overerfbaar.
Die, geïnduceerde, DNA-functie blijkt redelijk stabiel. Ten minste na 90 celdelingen (‘generaties’) bleek de functie nog aanwezig. Op deze wijze is op vrij eenvoudige wijze elke functie in gang te zetten, zegt Lu in Science Daily. Dit mechanisme zou zijn diensten kunnen bewijzen bij de productie van biobrandstoffen of medicijnen door bacteriën of bij het meten van in het milieugevaarlijke verbindingen.

Bron: Science Daily