Onderzoekers zien razendsnel jagend CRISPR-systeem in actie

Over de hele wereld gebruiken onderzoekers CRISPR-systemen voor genbewerking, met CRISPR-Cas9 als bekendste voorbeeld. Toch bestaat er nog veel onduidelijkheid over hoe dit soort systemen te werk gaan in de cel. Onderzoekers van de TU Delft en Wageningen University & Research hebben één zo’n systeem, het zogeheten CRISPR-Cascade-complex, nu voor het eerst gevolgd tijdens de jacht op vijandig DNA. Het bacteriële verdedigingsmechanisme is verbazingwekkend snel en efficiënt: elke seconde controleert het maar liefst 100 verschillende stukjes DNA.

CRISPR-Cas heeft het afgelopen decennium een revolutie in de wereld van de genbewerking teweeggebracht. Waar het aanpassen van DNA in een levende cel vroeger monnikenwerk was, kunnen onderzoekers met dit relatief nieuwe tooltje nu heel eenvoudig genen uitschakelen, of met bijna chirurgische precisie een streng genetisch materiaal openknippen om er een nieuw stukje DNA tussen te plakken.     

Biologisch fabriekje
Vaak wordt CRISPR-Cas gezien als één ding, maar in werkelijkheid zijn er heel veel van dit soort systemen. Het zijn verdedigingsmechanismen die bacteriën beschermen tegen aanvallen van piepkleine virusdeeltjes, zogeheten bacteriofagen. Deze maanlander-vormige deeltjes binden zich aan het oppervlak van een bacteriële cel en pompen hun DNA naar binnen. Ze gebruiken de cel vervolgens als biologisch fabriekje om zichzelf duizenden keren te kopiëren. Is dat eenmaal gebeurd, dan laten ze de bacterie uiteenspatten, waarna ze met z’n duizenden op zoek gaan naar een nieuw slachtoffer.

CRISPR-Cas-systemen zijn het antwoord van bacteriën op deze dreiging. Ze bestaan uit twee onderdelen: een systeem dat jaagt op vijandelijk DNA, en een systeem dat het DNA kapot knipt. In sommige gevallen heeft de natuur deze systemen aan elkaar gekoppeld tot een all-in-one-oplossing, wat heeft geleid tot Cas9.

Moleculair gereedschap
Onderzoekers hebben dit vernuftige biologische mechanisme omgebouwd tot een stuk moleculair gereedschap waarmee ze DNA in levende cellen kunnen herschrijven. Maar vreemd genoeg zijn er nog heel wat openstaande fundamentele vragen over de werking van CRISPR-systemen. Pas onlangs bleek bijvoorbeeld dat het herschrijven van DNA met CRISPR-Cas9 kan leiden tot ongewenste mutaties. Voordat we de techniek kunnen gebruiken om, bijvoorbeeld, ziekten uit ons DNA te schrijven, moeten we dus precies weten hoe het systeem werkt.

Onderzoekers van de TU Delft hebben nu voor het eerst een CRISPR-systeem aan het werk gezien in een levende bacterie. Het gaat om het zogeheten Cascade-complex. “We kennen dat al sinds 2008 en het was het eerste CRISPR-systeem dat we ontdekten”, vertelt groepsleider Stan Brouns. “Desondanks wisten we nog niet hoe het Cascade-complex door de cel beweegt. Ook was het ons niet duidelijk hoe snel het systeem werkt, en hoeveel complexen nodig zijn om een bacterie goed te beschermen.”

Flinke investering  
Wat al wel duidelijk was, is dat CRISPR-systemen zoeken naar een naald in een hooiberg. “In een bacteriële cel zit ontzettend veel DNA, zo rond de 5 miljoen baseparen, de letters van de genetische code. Verreweg het grootste deel daarvan is eigen DNA”, aldus TU Delft-onderzoeker Jochem Vink, die het onderzoek leidde. “Het Cascade-complex zoekt naar een stukje van pak ‘m beet 30 baseparen”

Hoe doet het systeem dat? Een mogelijkheid zou zijn dat de bacterie een legertje Cascade-complexen aanmaakt. Vele handen maken licht werk. “Maar het aanmaken en onderhouden van dit soort systemen is een flinke investering voor een bacterie”, zegt Vink. “We verwachtten dus niet dat ze heel veel van dit soort complexen nodig zouden hebben om toch goed beschermd te zijn.” Dat voorgevoel bleek te kloppen: de berekeningen van de onderzoekers wijzen uit dat honderd Cascade-complexen een bacterie een goede kans geven om te overleven.

Harde werkers
Maar hoe kunnen slechts honderd Cascade-complexen zo’n enorme massa DNA controleren? Het antwoord ligt voor de hand: het zijn harde werkers. De Delftse onderzoekers konden met een snelle laserpuls honderd keer per seconde een plaatje van de Cascade-complexen maken. Op die manier zagen ze of de complexen bewogen of stilstonden. “Op het moment dat ze even niet bewogen, hadden ze zich logischerwijs aan een stuk DNA vastgeklampt om het te controleren”, legt Brouns uit.

De snelheid waarmee Cascade-complexen DNA controleren is bijna niet te bevatten. Per seconde blijkt een complex maar liefst honderd stukken DNA te checken. Dat is even snel als de laserpuls, dus de onderzoekers moesten een rekenmethode ontwikkelen om de gaten in hun observaties te vullen. “In eerste instantie verbaasde het ons hoe rap ze te werk gaan”, zegt Vink. “Maar aan de andere kant is het ook niet gek. Er is zoveel DNA om te checken en zo weinig tijd voordat een faag de cel heeft overgenomen, dat de complexen wel snel móeten handelen.”

Wat is voor een bacterie de optimale hoeveelheid CRISPR-systemen? “Dat ligt eraan”, zegt Brouns. “Met twintig complexen is de kans op overleving fiftyfifty. Maar aangezien bacteriekolonies doorgaans uit miljarden exemplaren bestaan, kunnen ze misschien ook met minder uit de voeten.” De omgeving waarin een bacterie leeft speelt een belangrijke rol. Op plekken waar veel fagen leven zullen ze meer energie steken in een goede bescherming dan op plekken waar de dreiging minder is. “Bacteriën zoeken daarin ongetwijfeld een evenwicht”, zegt Vink. “Het zijn hele ingenieuze beestjes.”

***

Meer informatie:

Jochem N.A. Vink, Koen J.A. Martens, Marnix Vlot, Rebecca E. McKenzie, Cristóbal Almendros, Boris Estrada Bonilla, Daan J.W. Brocken, Johannes Hohlbein, Stan J.J. Brouns, ‘Direct Visualization of Native CRISPR Target Search in Live Bacteria Reveals Cascade DNA Surveillance Mechanism’, Molecular Cell
DOI: https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.10.021

Contact:

Jochem Vink
J.N.A.Vink@tudelft.nl
06 – 43 10 48 29

Lees ook: Sleutelen aan het leven – over de aanstaande revolutie die CRISPR-Cas9 heet en het onderzoek van de groep van Stan Brouns.