RNA en DNA reageren (soms) verschillend op krachten en verdraaiingen

Nieuws - 29 oktober 2014 - Communication TNW

Onderzoekers van de TU Delft hebben ontdekt dat het RNA-molecuul, een essentiële bouwsteen van de moleculaire biologie, soms anders reageert op krachten en verdraaiingen dan het verwante DNA-molecuul. Deze bevindingen zijn met de huidige modellen van DNA en RNA niet te verklaren. De resultaten, onlangs online gepubliceerd in het tijdschrift PNAS, geven voor het eerst een compleet beeld van de manier waarop dubbelstrengs RNA reageert op krachten en torsie.

RNA

In de afgelopen twintig jaar zijn er methoden ontwikkeld om afzonderlijke DNA-moleculen uit te rekken en te draaien. Daarbij is de respons van dubbelstrengs DNA op krachten en torsie (d.w.z. gedraaide moleculen) steeds nauwkeuriger in kaart gebracht. Er is daarentegen veel minder bekend over de mechanische respons van RNA, de moleculaire verwant van DNA. In chemisch opzicht lijkt RNA sterk op DNA. Net als DNA kan het een dubbelstrengs spiraal vormen. In de cel vervult RNA echter heel andere functies: RNA speelt een centrale rol bij het omzetten van genetische informatie (die in DNA ligt opgeslagen) in eiwitten, die de meeste stofwisselingsfuncties in de cel vervullen. Daarnaast is recent ontdekt dat RNA op diverse manieren betrokken is bij het reguleren van de genexpressie, d.w.z. de manier waarop de genetische code wordt uitgevoerd.

Magnetisch pincet

Een team van onderzoekers van de TU Delft onder leiding van Jan Lipfert (tegenwoordig bij LMU München) en groepsleider Nynke H. Dekker heeft nu met behulp van een magnetisch pincet vastgesteld hoe dubbelstrengs RNA reageert op van buiten opgelegde krachten of torsie. Het magnetisch pincet is een instrument dat één dubbelstrengs RNA-molecuul op zijn plek houdt. Met magneten kunnen de onderzoekers heel gecontroleerd krachten op het RNA-molecuul uitoefenen en verdraaiing teweeg brengen. Daarbij werd ontdekt dat als de krachten en de opgebouwde torsie niet te groot zijn, dubbelstrengs RNA elastisch buigt en draait, net als een rubberen staaf. Maar als de krachten en verdraaiingen te groot worden, verandert de moleculaire structuur en ondergaat RNA structurele veranderingen die soms heel dramatisch zijn. Op basis van de metingen werd de elastische constante van dubbelstrengs RNA bepaald. De elastische eigenschappen bleken als het om buigen, draaien of uitrekken gaat sterk op die van DNA te lijken.

Verrassende ontdekking

Toen de onderzoekers echter een andere elastische constante maten, de zogenaamde draai-rekkoppeling, deden ze  een verrassende ontdekking: terwijl DNA langer wordt als de spiraal te strak wordt opgerold, wordt RNA juist korter. Een tweede verrassing kwam toen de onderzoekers opnieuw een magnetisch pincet gebruikten om de dynamiek te meten van het maken van een lus: RNA vertoonde een honderd keer tragere dynamiek dan DNA. 
Deze bevindingen zijn met de huidige modellen van DNA en RNA niet te verklaren en dit lopende onderzoek is dan ook een uitdaging voor de modellering van moleculen.
De resultaten geven voor het eerst een compleet beeld van de manier waarop dubbelstrengs RNA reageert op krachten en torsie. Ze dienen als basis voor het modelleren en begrijpen van RNA in een complexere biologische of technologische context en onthullen onverwachte eigenschappen van deze essentiële bouwsteen van de moleculaire biologie.

Publicatie

“Double-stranded RNA under force and torque: Similarities to and striking differences from double-stranded DNA”
Jan Lipfert, Gary M. Skinner, Johannes M. Keegstra, Toivo Hensgens, Tessa Jager, David Dulin, Mariana Köber, Zhongbo Yu, Serge P. Donkers, Fang-Chieh Chou, Rhiju Das, en Nynke H. Dekker
PNAS, online gepubliceerd op 13 oktober 2014

Contact
Prof. Jan Lipfert
Department of Physics
LMU München
Amalienstr. 54
80799 München
Duitsland
jan.lipfert@lmu.de
+49-89-2180 2005

Prof. Nynke H. Dekker
Afdeling Bionanoscience
TU Delft
Lorentzweg 1
2628 CJ Delft
Nederland
n.h.dekker@tudelft.nl
015-2783219