Kickstart voor kunstmatig leven
Delftse onderzoekers hebben een belangrijke stap gezet in de zoektocht naar kunstmatig leven: ze hebben een streng van kunstmatig DNA ontwikkeld die zichzelf kan kopiëren.
Deze kunstmatige DNA-streng bevat slechts enkele genen, net genoeg om de DNA-replicatie op gang te helpen, de eerste stap op weg naar leven. Omdat er geen genen tussen zitten die het delen en overleven van het ‘organisme’ regelen, is kunstmatig leven een beetje sterk uitgedrukt. Maar de replicatie vindt wel plaats in een cel, een liposoom.
“Dit is absoluut een doorbraak”, zegt dr. Pauline van Nies, tot voor kort werkzaam bij de afdeling bionanoscience, in de groep van prof. Christophe Danelon. Van Nies is eerste auteur van het artikel Self-replication of DNA by its encoded proteins in liposome-based synthetic cells, waarin de doorbraak wordt beschreven. Het is eerder dit jaar gepubliceerd in Nature Communications.
Geïnspireerd door virussen
Het Delftse onderzoek bouwt deels voort op het werk van een groep Japanse onderzoekers. Zij ontwikkelden zo’n vijftien jaar geleden een cocktail van enzymen die DNA kan transcriberen en messenger-RNA kan vertalen, het proces dat uiteindelijk leidt tot de productie van nieuwe eiwitten. Voeg aan deze enzymen een streng DNA toe waarvan de genen eiwitten coderen die DNA-replicatie regelen, en voilà: het DNA repliceert zichzelf. Of toch niet?
Pauline van Nies en Christophe Danelon spreken van een absolute doorbraak.
Foto (c) Sam Rentmeester
Het klinkt eenvoudiger dan het is. DNA-replicatie is een extreem complex proces in levende cellen, dat samenhangt met een groot aantal andere functies. Van Nies kwam op het idee om het mechanisme voor DNA-replicatie over te nemen van een virus met de naam Ф29. “Virussen zijn uiterst efficiënt in het coderen van eiwitten in een klein genoom en in het robuust repliceren van hun genetische informatie.”
In menselijke cellen wordt DNA-replicatie geregeld door honderden eiwitten, terwijl Ф29 er maar vier nodig heeft. De Delftse onderzoekers bundelden hun krachten met microbioloog Margarita Salas en een aantal van haar collega’s aan de Autonome Universiteit van Madrid. Salas werkt al bijna een halve eeuw met Ф29. Zij ontdekte het mechanisme voor DNA-replicatie van het Ф29-virus en isoleerde dat.
Van Nies stelde een unieke DNA-blauwdruk samen die rekening hield met een aantal verschillende factoren voor de stroom van genetische informatie, zoals een geschikte plaats voor het binden van het ribosoom, een element dat essentieel is voor de productie van eiwitten.
Groei en deling
Een doel dat nu in zicht komt is het combineren van de nieuwe module die de stroom aan genetische informatie reguleert met andere essentiële celfuncties zoals groei en deling. De celmembramen (liposomen) die door de onderzoekers in dit project zijn gebruikt, bestaan uit fosfolipiden. In 2016 ontdekte de onderzoeksgroep van Danelon een manier om deze fosfolipiden te synthetiseren.
DNA-replicatie is een extreem complex proces in levende cellen
Waterminnaars
De basisstructuur van membranen wordt de ‘fosfolipide bilaag’ genoemd. Deze is slechts enkele nanometers dik en bestaat uit twee lagen lipidemoleculen. Deze moleculen bestaan op hun beurt uit een hydrofiele (‘waterminnende’) kop en een hydrofobe (‘watervrezende’) staart. Als de lipiden in contact worden gebracht met water, verzamelen ze zich spontaan om een afgesloten ruimte te vormen.
Fosfolipidemoleculen ontstaan door een reeks complexe biochemische reacties die in gang worden gezet door gespecialiseerde proteïnen (enzymen). Het DNA dat voor deze enzymen codeert is oorspronkelijk afkomstig uit cellen van E. coli, een relatief eenvoudige en uitgebreid onderzochte bacterie die in de menselijke darmen huist. Vervolgens is het DNA gezuiverd. In totaal bestaat de DNA-streng uit zeven à acht genen.
Er werden nog te weinig nieuwe fosfolipiden gesynthetiseerd om cellen daadwerkelijk te laten groeien, maar Danelon is ervan overtuigd dat zijn groep dit proces kan optimaliseren. De volgende stap is om deze module te combineren met de vier genen lange DNA-streng die codeert voor het mechanisme voor DNA-replicatie.
Celdeling is waarschijnlijk een grotere uitdaging. In moderne cellen is hiervoor een gestroomlijnd proces nodig, waarbij gekopieerd DNA netjes opeengepakt is en vervolgens gelijkmatig wordt verdeeld in de richting van de twee polen van de cel. Tegelijkertijd knijpen gespecialiseerde eiwitten de moedercel tot twee dochtercellen.
Dit mechanisme nabootsen is op dit moment waarschijnlijk te hoog gegrepen. “We moeten niet te ambitieus zijn”, aldus Danelon. “Soms is het verstandig om een stapje terug te doen van de complexiteit van de natuur. We gaan een eenvoudiger techniek voor celdeling ontwerpen.”
Moedercel
Danelon denkt dat een eenvoudig ‘afsplitsingsmechanisme’ ook een oplossing zou kunnen zijn. “Ik denk dat we liposomen kunnen maken die groeien tot zich kleinere blaasjes af beginnen te splitsen van de ‘moedercel’. Als er voldoende DNA wordt geproduceerd, zullen hopelijk genoeg van deze primitieve ‘dochtercellen’ het nieuwe DNA bevatten om een celpopulatie in stand te houden.”
Dit is volgens de onderzoekers misschien wel de manier waarop de allereerste cellen zichzelf reproduceerden voordat de evolutie zorgde voor een elegantere, meer betrouwbare oplossing.