De iconische dubbele helixstructuur van DNA, die netjes om zichzelf heen spiraalt, geeft een simplistische indruk van onze genetische code. In werkelijkheid is DNA ongelooflijk dynamisch; het draait voortdurend, buigt en ondergaat reparaties, georkestreerd door minuscule eiwitten. Het vastleggen van deze bewegingen, die plaatsvinden op een schaal kleiner dan een miljardste van een meter (het Angstrom-niveau), is lange tijd een grote uitdaging geweest in de moleculaire biologie.
Nu hebben onderzoekers van de Urbana-Champaign van de Universiteit van Illinois een grote stap voorwaarts gezet door twee baanbrekende technieken te ontwikkelen waarmee ze DNA-bewegingen met ongekend detail kunnen observeren en zelfs begeleiden. Deze vooruitgang ontsluit nieuwe mogelijkheden om te begrijpen hoe DNA functioneert, van de rol ervan bij ziekten zoals kanker tot de ontwikkeling van nieuwe medicijntherapieën.
Een camera op nanoschaal: beweging visualiseren met atomaire helderheid
De eerste doorbraak draait om een ‘DNA-camera’ gebouwd op een enkele laag grafeen, een materiaal van slechts één atoom dik. Deze methode, genaamd GETvNA (grafeen-enabled transient near-field amplification), werd oorspronkelijk ontwikkeld door onderzoekers van het Tinnefeld Lab aan de Ludwig Maximilian Universiteit in München. Het maakt gebruik van het feit dat DNA-moleculen rechtop staan op grafeenoppervlakken en lijken op kleine vlaggetjes die zwaaien in de wind op nanoschaal.
Deze verticale oriëntatie maakt de detectie mogelijk van subtiele structurele veranderingen in DNA terwijl het beweegt. Het team van Aksimentiev bouwde voort op deze basis en gebruikte geavanceerde computermodellen om zich te verdiepen in de details op atomair niveau van hoe GETvNA werkt.
Het systeem biedt een resolutie van minder dan een angstrom en legt gebeurtenissen in realtime vast – cruciaal voor het observeren van processen zoals herstel van DNA-schade of de beweging van eiwitten over de lengte ervan. Dit precisieniveau overtreft wat mogelijk is met traditionele microscopen, waardoor het mogelijk wordt de choreografie van moleculen in levende cellen te ontcijferen.
Voorbij observatie: DNA-beweging begeleiden
Maar zien is niet altijd genoeg. Wat als onderzoekers ook zouden kunnen bepalen waar DNA zich verplaatst? Deze mogelijkheid opent deuren voor het sorteren en manipuleren van individuele strengen, en zelfs voor het bouwen van rudimentaire ‘moleculaire machines’. Het team van Aksimentiev ontdekte dat hexagonaal boornitride (hBN), een ander 2D-materiaal, kan worden gebruikt om enkelstrengig DNA langs specifieke paden te geleiden.
Deze routes worden gevormd door natuurlijk voorkomende “trappen” op het hBN-oppervlak – kleine stapdefecten die kanalen op nanoschaal voor biomoleculen creëren. Het team ontdekte dat, hoewel aanvankelijk werd voorspeld dat de beweging veel sneller zou zijn, DNA-moleculen in werkelijkheid aanzienlijk langzamer gingen werken wanneer ze met deze defecten werden geconfronteerd. Deze verrassende ontdekking, verklaard door middel van ingewikkelde computationele analyses, onthulde hoe atomaire onvolkomenheden op het hBN-oppervlak fungeren als tijdelijke vallen, waardoor onderzoekers de DNA-beweging nauwkeurig kunnen controleren.
Impact en toekomstige richtingen: een nieuw tijdperk van moleculaire precisie
Deze gecombineerde doorbraken hebben aanzienlijke gevolgen voor een groot aantal gebieden:
- Biomedisch onderzoek: Het vermogen om individuele DNA-moleculen die interactie hebben met eiwitten in realtime te volgen, zou een revolutie teweeg kunnen brengen in ons begrip van ziekten zoals kanker, waarbij deze interacties vaak worden verstoord. Het biedt ook een ongekend platform voor het testen en ontwikkelen van nieuwe medicijnen die zich richten op deze specifieke moleculaire gebeurtenissen.
- Biosensing: Het nauwkeurig controleren van de DNA-beweging opent mogelijkheden voor zeer gevoelige biosensoren die kleine hoeveelheden biomoleculen kunnen detecteren, met toepassingen variërend van medische diagnostiek tot omgevingsmonitoring.
Vooral de toegankelijkheid van GETvNA, waarvoor alleen een standaard fluorescentiemicroscoop nodig is, is baanbrekend. Het democratiseert de toegang tot dit niveau van moleculaire details, waardoor onderzoekers over de hele wereld studies met hoge resolutie kunnen uitvoeren zonder dure gespecialiseerde apparatuur nodig te hebben.
Aksimentiev en zijn team blijven de ingewikkelde details van DNA-beweging op 2D-oppervlakken onderzoeken. Hun toekomstige werk richt zich op het begrijpen van hoe DNA zich over nog langere tijdschalen – milliseconden tot seconden – gedraagt, met behulp van geavanceerde computermodellen om de kloof tussen atomaire simulaties en observaties uit de echte wereld te overbruggen.
Deze innovaties illustreren hoe fundamenteel onderzoek, gekoppeld aan krachtige computerhulpmiddelen, nieuwe vensters kan ontsluiten op de complexiteit van het leven op het meest basale niveau. Het vermogen om de bewegingen van DNA niet alleen te zien, maar ook te begeleiden, maakt de weg vrij voor baanbrekende ontdekkingen op het gebied van de geneeskunde, de materiaalkunde en ons begrip van de essentie van het leven zelf.
