DNA voorzien van EN- en OF-poorten (afb: MIT)

Met behulp van de CRISPR-methode hebben onderzoekers van, onder meer, het MIT in Cambridge (VS) bacterieel maar ook menselijk DNA in cellen voorzien van extra informatie. Die informatie kan gebruikt worden om allerlei processen in een cel te volgen als die, bijvoorbeeld, wordt blootgesteld aan bepaalde stoffen. Dat ‘geheugen’ kan bijvoorbeeld gebruikt worden om een bepaald eiwit te produceren na een bepaalde verloop van gebeurtenissen en vast nog wel meer ingewikkelde dingen.
“Dit platform (DOMINO gedoopt; as) kan gebruikt worden om een cel geheugen te geven en bepaalde dingen te laten uitvoeren op een opschaalbare manier”, zegt MIT-onderzoeker Fahim Farzadfard. “Net als bij een computer hebben we bij het uitvoeren van logische en rekenbewerkingen veel geheugen nodig.” Met deze trucs zouden veranderingen in delende cellen kunnen worden gevolgd of cellen kunnen worden omgevormd om gevaren te signaleren of juist voordelige situaties.
Het onderzoek is uitgevoerd in het lab van Timothy Lu. Enkele jaren geleden werd daar een geheugenopslagsysteem ontwikkeld dat was gebaseerd op DNA-recombinases. Die enzymen beïnvloeden het DNA in bepaalde situaties. Die benadering is echter in omvang beperkt. Die kan maar een of twee gebeurtenissen registreren aangezien de stukken DNA die ‘omgeklapt’ worden nogal groot zijn en elke keer is er een andere recombinase nodig.

Lu en Farzadfard hebben de zaken later wat drastischer aangepakt door op bepaalde plaatsen nieuw DNA te introduceren, maar dat werkte alleen in bacterieel DNA. In 2016 werd de CRISPR-methode te hulp geroepen met Cas9 als genschaar en gids-RNA. Dat gaf de onderzoekers de gelegenheid op bepaalde plaatsen mutaties aan te brengen, maar ze gebruikten daarbij het DNA-reparatiesysteem van de cel om die mutaties in te bouwen. Dat betekende wel dat die mutaties niet altijd voorspelbaar waren, waardoor de hoeveelheid opgeslagen informatie dan ook werd beperkt.

DOMINO-techniek

Met de nieuwe DOMINO-techniek hebben de onderzoekers de aan te brengen mutaties beter in de hand. Daarbij worden er geen stukken DNA weggeknipt en vervangen maar afzonderlijke nucleotiden (vaak aangeduid met bases) veranderd, de bouwstenen van DNA. In feite zetten de onderzoekers daarmee de cytosinebase om in thymine (de C en de T van de DNA-letters). Dat bleek zowel bij bacteriële als menselijke cellen te werken. Lu: “We zijn nu veel dichter bij onze oorspronkelijke opzet. Dit lijkt meer op hoe een harde schijf werkt.” Farzadfard: “Je kunt het systeem zo ontwerpen dat elke combinatie van invoer je een unieke mutatiehandtekening geeft. Daaruit kun je afleiden welke combinatie dat is geweest.”

De onderzoekers gebruikten de basebewerkingstechniek om ‘schakelingen’ te maken om logische operaties mee uit te voeren met EN- en OF-poorten waarmee, bijvoorbeeld, bepaalde toestanden zijn te detecteren. Ze maakten ook ‘circuits’ waarmee een opvolging van gebeurtenissen is waar te nemen.
Bij de meeste oudere versies van DNA-geheugenopslag moet je het DNA uitlezen, maar daarmee maak je de cellen kapot. De onderzoekers ‘programmeerden’ hun cellen zo dat er groen fluorescerend eiwit werd geproduceerd in een bepaalde situatie of na een serie van gebeurtenissen. Door de fluorescentie te meten konden de onderzoekers redelijk goed inschatten hoeveel mutaties zich hadden opgehoopt zonder dat ze de cellen hoefde te doden.

Zo zou je afweercellen voor muisjes kunnen maken die groen oplichten als bepaalde signaalstoffen worden geactiveerd. Je zou ook ‘circuits’ kunnen maken die kankeractiviteit registreren die dan weer genen activeren om die activiteit ongedaan te maken. Lu: “Die toepassingen zijn misschien nog wat ver weg, maar in principe mogelijk met deze technologie.”

Bron: EurekAlert