Nieuwe vorm DNA ontdekt - twee keer zo lang als normaal

Als je hard genoeg aan DNA trekt, blijkt het plotseling te kunnen ontvouwen tot een vorm die dubbel zo lang is. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) en de Vrije Universiteit Amsterdam (VU) presenteren vandaag deze nieuwe vorm van DNA. Hun theoretische model voorspelde het bestaan van deze meest uitgerekte toestand mogelijk, die ze gedoopt hebben tot ‘hypergestrektDNA’ (in het Engels: hyperstretched DNA). Een elegant microscopie-experiment leverde het definitieve bewijs. Vandaag verschijnt het werk in het tijdschrift Nature Communications.

Dat DNA zo rekbaar is als elastiek is bekend. De relatief lange dubbele helix zit volledig ‘opgefrommeld’ in de celkern. Het aflezen van basenparen die coderen voor eiwitten kan alleen door lokaal het molecuul fors te vervormen. Tot nu toe heerste de opvatting dat DNA tot maximaal 1,7 keer zijn normale lengte kon uitrekken. Opmerkelijk genoeg had niemand gekeken hoe het nóg langer kon.

Verrassing

Een theoretisch model van onderzoekers van de TU Eindhoven gaf de eerste aanwijzing. Toenmalig afstudeerder Koen Schakenraad (die voor dit werk de Lorentzprijs voor beste afstudeerscriptie in de theoretische natuurkunde won, en nu promoveert in Leiden) wilde eerdere metingen aan het oprekken van DNA door de VU beschrijven. “Dat lukte, maar tot onze verrassing bleek ons model óók een nog niet ontdekte vorm van DNA te voorspellen, wel twee keer zo lang als normaal”, vertelt Paul van der Schoot, één van de TU/e-onderzoekers. 

Microscopische handen en ogen

Hun Amsterdamse collega’s gingen vervolgens aan de slag om deze nieuwe toestand experimenteel te bevestigen. Ze gebruikten hiervoor een combinatie van krachts- en fluorescentiemicroscopie. “Vergelijk het met microscopische handen en ogen”, zegt Iddo Heller, één van de betrokkenen van de VU Amsterdam. “Je trekt aan een enkel DNA-molecuul en je ziet direct wat er gebeurt.” Dat de nieuwe toestand daadwerkelijk bestaat, toonden ze aan met behulp van een lichteffect. 

Het bewijs licht op

“Om DNA op te rekken, maken we gebruik van fluorescerende moleculen, zogeheten intercalatoren, die tussen de basenparen aan het DNA binden”, zegt Heller. “Deze moleculen lichten op onder de microscoop. Dus in de normale toestand van DNA, zonder intercalatoren, is het beeld donker. Hoe meer het DNA oprekt, en hoe meer intercalatoren eraan hangen, des te meer het beeld oplicht. Kort gezegd konden we de nieuwe toestand aantonen doordat de lichtintensiteit twee keer zo hoog werd.”

DNA-origami

Of deze twee keer zo lange vorm van DNA ook daadwerkelijk in de cel voorkomt is volgens de onderzoekers niet met zekerheid te zeggen. “Maar de vondst kan wellicht meer duidelijkheid geven over hoe het uitrekken van DNA in de celkern daadwerkelijk gebeurt, want daar zijn nog veel vragen over”, zegt Van der Schoot. Ook zien de onderzoekers nut voor het relatief nieuwe vakgebied van ‘DNA-origami’. “Daar ‘knutselen’ onderzoekers met DNA op basis van diens mechanische eigenschappen, bijvoorbeeld om nieuwe materialen te maken. Dan is deze vondst natuurlijk ook erg relevant”, zegt Heller.

Cirkel is rond

Volgens Van der Schoot toont deze vondst weer het belang van fundamenteel onderzoek aan. “Bijna elk toegepast onderzoek heeft een fundamentele component. In dit geval gaf de theorie de aanzet tot deze ontdekking.” Heller spreekt van “één van de leukste samenwerkingen tussen theoretische en experimentele fysici”. “De cirkel was mooi rond”, zegt hij. “Het begon bij een observatie, waar vervolgens een theorie op volgt. De theorie geeft voorspellingen, die we vervolgens weer met een observatie kunnen bevestigen.”

Referentie
Koen Schakenraad et al., Hyperstretching DNA, Nature Communications (19 december 2017).
DOI: 10.1038/s41467-017-02396-1