Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft hebben samen met collega’s van de Autonome Universiteit van Madrid een kunstmatige DNA-blauwdruk gemaakt voor de replicatie van DNA in een celachtige structuur. Het maken van een dergelijke complexe biologische module is een belangrijke stap binnen een ambitieuze missie: met biologische bouwstenen een functionerende synthetische cel bouwen.
DNA-replicatie is een essentiële functie van levende cellen, die ervoor zorgt dat cellen zich kunnen delen en dat genetische informatie aan de nakomelingen wordt doorgegeven. Het mechanisme dat aan de basis ligt van DNA-replicatie bestaat uit drie belangrijke stappen. Als eerste vindt er transcriptie van DNA naar messenger RNA plaats. Vervolgens vindt translatie plaats: het messenger RNA wordt omgezet in eiwitten, de werkpaarden van de cel. Ten slotte voeren sommige van deze eiwitten de laatste stap in de cyclus uit: de replicatie (het kopiëren) van DNA. Nadat een cel haar DNA heeft gekopieerd, kan zij zich splitsen in twee dochtercellen, die elk een kopie van het oorspronkelijke genetische materiaal bevatten.
De cyclus gesloten
Onderzoekers hadden al deze stappen afzonderlijk al gerealiseerd. Japanse wetenschappers hebben bijvoorbeeld een minimaal systeem voor messenger RNA en eiwitsynthese gemaakt door de relevante componenten uit E. coli te halen en aan te passen. Maar niemand had dit systeem nog weten te combineren met zelfstandige DNA-replicatie. “We wilden de cyclus sluiten en als eersten de volledige stroom van genetische informatie binnen een liposoom, een celachtige structuur, reconstrueren”, vertelt groepsleider Christophe Danelon.
Het bleek lastig om het Japanse systeem met een module voor DNA-replicatie te combineren. “We hebben enkele methoden geprobeerd, maar ze leken geen van alle overtuigend te werken”, aldus Danelon. Toen kreeg promovenda Pauline van Nies het idee om het systeem voor DNA-replicatie van het virus Φ29 te gebruiken. “Virussen zijn enorm fascinerend vanuit het oogpunt van de moleculaire biologie”, zegt Van Nies. “Ze 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, maar Φ29 heeft er slechts vier nodig.
DNA samenstellen
Al vele jaren geleden ontdekten onderzoekers van de Autonome Universiteit van Madrid het mechanisme voor DNA-replicatie van het Φ29-virus, en slaagden ze erin het te isoleren. Samen met deze onderzoekers combineerden Van Nies en Danelon de genen die coderen voor het replicatiemechanisme met de genetische code die nodig is om de Japanse module voor transcriptie en translatie te laten werken.
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 en ontbinden van het RNA-polymerase, dat essentieel is voor de productie van RNA van de juiste lengte.
Systemen combineren
Een doel dat nu in zicht komt is het combineren van de nieuwe module die de stroom van genetische informatie reguleert met andere essentiële celfuncties zoals groei en deling. De liposomen die de onderzoekers in dit project gebruikten bestaan uit fosfolipiden, en vorig jaar slaagde de groep van Danelon erin om het proteïnemechanisme te reproduceren dat verantwoordelijk is voor de synthese van deze fosfolipiden. Er werden nog te weinig fosfolipiden aangemaakt om de liposomen daadwerkelijk te laten groeien, maar Danelon is ervan overtuigd dat zijn groep dit proces kan optimaliseren.
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. 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 misschien wel de manier waarop de allereerste cellen zichzelf reproduceerden voordat de evolutie zorgde voor een elegantere en betrouwbaardere oplossing.
Een synthetische cel bouwen
De missie die al het hierboven beschreven fundamenteel onderzoek onderling verbindt, is de bouw van een synthetische cel die kan groeien, zich kan delen en zichzelf in stand kan houden. Wetenschappers van de Technische Universiteit Delft spelen een leidende rol in deze nieuwe onderzoeksrichting die uiteindelijk misschien leidt tot een diepgaander begrip van de innerlijke werking van een cel. Onderzoek in het kader van dit initiatief kan leiden tot vooruitgang op het gebied van biotechnologie, gezondheid en energie. Onlangs heeft de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek hiervoor bijna 19 miljoen euro toegekend aan het Nederlandse consortium BaSyc (Building a Synthetic Cell).
Paper: ‘Self-replication of DNA by its encoded proteins in liposome-based synthetic cells’, Pauline van Nies, Ilja Westerlaken, Duco Blanken, Margarita Salas, Mario Mencía & Christophe Danelon, Nature Communications
DOI:10.1038/s41467-018-03926-1
Beeldcredits: Getty Images/TU Delft
Meer informatie: ‘Leven uit het Lab’, onderzoeksverhaal van de TU Delft over de bouw van een synthetische cel.
Contact:
Christophe Danelon
C.J.A.Danelon@tudelft.nl
+31 (0)15 – 278 8085
Pauline van Nies
paulinevannies@gmail.com
+31 (0)6 – 43813635