In recordtijd DNA-gedrag onthullen
Door te bestuderen hoe afzonderlijke DNA-moleculen zich gedragen, kunnen we genetische aandoeningen beter begrijpen en betere medicijnen ontwerpen. Tot nu toe was het één voor één onderzoeken van DNA-moleculen een langzaam proces. Biofysici van de TU Delft en de Universiteit Leiden ontwikkelden een techniek die het onderzoek van individuele DNA-moleculen minstens duizend keer sneller maakt. Met deze techniek kunnen ze miljoenen DNA-moleculen binnen een week meten in plaats van jaren tot decennia. Het onderzoek is nu gepubliceerd in Science.
“DNA, RNA en eiwitten zijn de belangrijkste spelers om alle processen in de cellen van ons lichaam te regelen”, legt de Leidse hoogleraar John van Noort uit. “Om het (dis-)functioneren van deze moleculen te begrijpen, is het essentieel om bloot te leggen hoe hun 3D-structuur afhangt van hun sequentie en hiervoor is het nodig om één molecuul per keer te meten. Metingen op één molecuul zijn echter bewerkelijk en traag, en het aantal mogelijke variaties in sequenties is enorm.”
Van tientallen jaren naar dagen
Nu heeft het team van wetenschappers een innovatief hulpmiddel ontwikkeld, SPARXS (Single-molecule Parallel Analysis for Rapid eXploration of Sequence space), waarmee men miljoenen DNA-moleculen tegelijkertijd kan bestuderen. “Traditionele technieken waarmee één sequentie tegelijk kan worden onderzocht, kosten meestal uren meettijd per sequentie. Met SPARXS kunnen we miljoenen moleculen binnen een dag tot een week meten. Zonder SPARXS zou zo’n meting enkele jaren tot tientallen jaren duren”, zegt de Delftse hoogleraar Chirlmin Joo.
“SPARXS stelt ons in staat om grote sequentiebibliotheken te bestuderen, wat nieuwe inzichten oplevert in hoe de structuur en functie van DNA afhankelijk zijn van de sequentie. Daarnaast kan de techniek worden gebruikt om snel de beste sequentie te vinden voor toepassingen variërend van nanotechnologie tot gepersonaliseerde geneeskunde”, voegt promovendus Carolien Bastiaanssen toe.
Nooit eerder gecombineerd
Om hun nieuwe SPARXS-techniek te creëren, combineerden de onderzoekers twee bestaande technologieën die nooit eerder aan elkaar gekoppeld waren: single-molecule fluorescentie en next-generation Illumina sequencing. Bij de eerste techniek worden moleculen gelabeld met een fluorescerende kleurstof en gevisualiseerd met een gevoelige microscoop. De tweede techniek leest miljoenen DNA-codes tegelijkertijd uit. Joo: “Het kostte een jaar om te bepalen of het combineren van de twee technieken haalbaar is, nog eens vier jaar om een werkende methode te ontwikkelen. En daarna nog eens twee jaar om de nauwkeurigheid en consistentie van de metingen te garanderen, terwijl we de enorme hoeveelheid geproduceerde gegevens aan het beheren waren.”
“Het echte leuke en interessante deel begon toen we de data moesten interpreteren”, zegt eerste auteur Ivo Severins. “Omdat deze experimenten met sequencing op het niveau van één molecuul helemaal nieuw zijn, hadden we geen idee welke resultaten we zouden en konden behalen. Het vergde veel zoekwerk binnen de data om correlaties en patronen te vinden en om de mechanismen te bepalen die ten grondslag liggen aan de patronen die we zien.”
Uitdagingen bij dataverwerking overwinnen
Een andere uitdaging was het verwerken van de grote hoeveelheid gegevens, voegt Van Noort toe: “We moesten een geautomatiseerde en robuuste pijplijn voor de analyse ontwikkelen. Dit was vooral een uitdaging omdat afzonderlijke moleculen kwetsbaar zijn en slechts een kleine hoeveelheid licht afgeven, waardoor de gegevens inherent ruis hebben. Bovendien geven de resulterende gegevens niet direct inzicht in hoe de sequentie de structuur en het gedrag van DNA beïnvloedt, zelfs niet voor de relatief eenvoudige DNA-structuren die we bestudeerden. Om ons begrip echt te testen, hebben we een model opgezet waarin onze kennis van de DNA-structuur is verwerkt en dat vergeleken met de experimentele data.”
Medische vooruitgang
Een nauwkeurigere manipulatie en begrip van DNA-sequenties zal waarschijnlijk leiden tot vooruitgang in medische behandelingen, zoals effectievere gentherapieën en gepersonaliseerde geneeskunde. De onderzoekers voorzien ook biotechnologische innovaties en een beter begrip van de biologie op moleculair niveau. Joo: “We verwachten dat toepassingen in genetisch onderzoek, medicijnontwikkeling en biotechnologie zich binnen de komende vijf tot tien jaar zullen beginnen af te tekenen.”
