Delftse test maakt detectie van genetisch materiaal met het blote oog zichtbaar
Onderzoekers van de TU Delft hebben een test ontwikkeld waarmee ze specifieke stukjes genetisch materiaal kunnen opsporen, waarna de uitslag met het blote oog af te lezen is. Met de test kunnen onder meer virussen, zoals het coronavirus, en antibioticaresistente bacteriën snel en goedkoop worden gedetecteerd. De resultaten zijn gepubliceerd in Biophysical Journal.
De nieuwe Delftse methode is deels gebaseerd op eiwitten uit het CRISPR-Cas-systeem, het moleculaire schaartje dat bekendheid verwierf als revolutionaire genbewerkingsmethode. Vorig jaar, in 2020, ontvingen de ontwikkelaars van de gene editing tool de Nobelprijs voor Scheikunde.
In plaats van het Cas9-eiwit, dat voor genbewerking meestal als werkpaard dient, gebruiken de Delftse onderzoekers twee andere Cas-eiwitten: Cas12a en Cas13a. “Deze eiwitten zijn een paar jaar geleden ontdekt en hebben een bijzondere eigenschap”, vertelt onderzoeker Kasper Spoelstra. “Op het moment dat ze een stukje genetisch materiaal (DNA of RNA) vinden waar ze naar op zoek zijn, knippen ze namelijk ál het aanwezige DNA of RNA aan stukken.”
Druppeltjes
Om de activiteit van de overijverige CRISPR-eiwitten met het blote oog uit te lezen, maakt de test gebruik van een natuurkundig fenomeen dat Liquid-Liquid Phase Separation (LLPS) heet. “Je kunt LLPS vergelijken met wat er gebeurt als je olie en water mengt en goed schudt”, zegt Spoelstra. De olie vormt dan vloeibare druppeltjes die gescheiden blijven van het water. “Voor onze methode maken we gebruik van positief geladen moleculen. Als je dit soort moleculen toevoegt aan een monster waarin lange strengen DNA of RNA zitten, treedt er een fasescheiding op. Dat komt doordat DNA en RNA van nature negatief geladen zijn. De positief geladen moleculen en het DNA of RNA zoeken elkaar dus op.”
De ‘druppeltjes’ die daardoor ontstaan, verstrooien licht anders dan water, waardoor het monster troebel wordt. De crux is hierbij dat alléén heel lang DNA en RNA druppeltjes vormt met de positief geladen moleculen. Korte stukjes DNA en RNA blijven gewoon in de oplossing. “Als de Cas-eiwitten het genetisch materiaal waar ze naar op zoek zijn vinden en al het aanwezige DNA of RNA kapot knippen, ontstaan in die oplossing geen druppeltjes”, legt Spoelstra uit. “Het gevolg is dat de vloeistof helder blijft. Een troebel monster betekent dus dat de Cas-eiwitten niets gevonden hebben, en dat de test negatief is. Blijft de vloeistof helder? Dan is de test positief. De uitslag is na ongeveer een uur bekend.
Hoofdprijs
De ontwikkeling van de nieuwe methode begon in 2017 bij het iGEM-team van de TU Delft. iGEM is een jaarlijkse wedstrijd voor synthetische biologie, waarin studententeams van over de hele wereld oplossingen bedenken voor actuele vraagstukken. Daarbij strijden ze om verschillende prijzen. Het Delftse team van 2017 stelde een methode voor om antibioticaresistente genen in melkvee te detecteren, gebaseerd op dezelfde principes als waar deze nieuwe test op berust. Het Delftse team won er de hoofdprijs van de internationale competitie voor, plus nog acht andere prijzen. Spoelstra werkte het iGEM-idee als student en PhD-onderzoeker verder uit onder begeleiding van Louis Reese, en in samenwerking met nog andere TU Delft-onderzoekers.
De methode heeft zijn experimentele vuurdoop al gehad: het lukte om er stukjes test-DNA mee te detecteren. “Het is ook een methode waarvoor maar weinig chemicaliën nodig zijn, wat het goedkoop en duurzaam maakt”, aldus Spoelstra. “Verder zijn er geen grote, hightech apparaten voor nodig, dus je zou de test heel eenvoudig buiten het lab kunnen uitvoeren. Alleen moet je natuurlijk wel vooraf weten waar je naar op zoek gaat.” De test kan heel breed worden ingezet: naast het coronavirus en antibioticaresistentie zou je er bijvoorbeeld ook verschillende varianten van de ziekte van Lyme mee kunnen detecteren. Of tropische ziekten, zoals malaria of dengue. De TU Delft heeft een patent op de methode aangevraagd en gekregen.
Meer informatie
‘CRISPR-based DNA and RNA detection with liquid-liquid phase separation’, W.K. Spoelstra, J.M Jacques, R. Gonzalez-Linares, F.L.Nobrega, A.C.Haagsma, M. Dogterom, D.H. Meijer, T.Idema, S.J.J. Brouns, L. Reese, Biophysical Journal
