Met het geheugen van een bacterie de ontwikkeling van een tumor volgen

Onderzoekers van de TU Delft hebben ontdekt hoe bepaalde eiwitten het geheugen van een bacterie up-to-date houden. Voor een bacterie is dat essentieel, want zijn geheugen beschermt hem tegen aanvallen van bacteriofagen, zijn natuurlijke vijand. Maar ook voor mensen is het bacteriële geheugen interessant. Het systeem kan namelijk worden omgebouwd tot ‘DNA-recorder’: een soort biologisch logboek dat bijhoudt wat er in een cel gebeurt, en waarin je bijvoorbeeld kunt teruglezen hoe een tumor zich in de loop der tijd heeft ontwikkeld. De eerste versies van zo’n DNA-recorder zijn al gebouwd, maar zijn inefficiënt en werken niet in menselijke cellen. De nieuwe fundamentele kennis over bacteriële geheugenvorming die het Delftse onderzoek heeft opgeleverd, kan worden gebruikt om de volgende generatie DNA-recorders te ontwikkelen. De bevindingen zijn in Nature gepubliceerd.

Ondanks het feit dat onderzoekers van over de hele wereld CRISPR-Cas9 gebruiken voor gene editing, zijn er nog veel open vragen over de precieze werking van CRISPR-systemen en de daarbij betrokken eiwitten. Dat komt doordat CRISRP-Cas9 niet een door de mens ontwikkeld moleculair gereedschap is, maar een biologisch afweermechanisme dat bacteriën beschermt tegen hun aartsvijanden: bacteriofagen, de virussen van bacteriën.

Geheugen
Op het moment dat bacteriofagen in de natuur een bacterie tegenkomen, klampen ze zich eraan vast en injecteren ze hun DNA in de cel. Daarna begint een race tegen de klok. Als een bacterie het vijandige DNA niet op tijd herkent en onschadelijk maakt, kaapt de bacteriofaag de cel en gebruikt hij de bacterie om zichzelf te kopiëren, net zo vaak totdat de bacterie uiteen spat. De nieuwe, vrijgekomen bacteriofagen gaan vervolgens op zoek gaan naar een volgend slachtoffer.

Om vijandig DNA op tijd te herkennen, vertrouwt een bacterie op zijn geheugen. Bepaalde Cas-eiwitten hebben als taak om stukjes van het vijandige DNA op te slaan in het genoom van de bacterie. “Dit gebeurt op een plek die de ‘CRISPR-array’ wordt genoemd”, vertelt groepsleider Chirlmin Joo van de TU Delft. De CRISPR-array is een soort logboek waarin beschreven staat welke vijand de bacterie heeft aangevallen, in de vorm van stukjes vijandig DNA gescheiden door een terugkerende reeks nucleotiden. Op het moment dat een bacterie een DNA-fragment van een bacteriofaag in zijn geheugen heeft staan, stelt dat hem in staat om bacteriofagen-DNA bij de volgende aanval snel te herkennen en onschadelijk te maken.

Omzeilen
“Het probleem voor een bacterie is dat bacteriofagen continu evolueren, en op die manier het immuunsysteem van een bacterie omzeilen”, zegt Joo. “Het is voor een bacterie dus zaak dat hij zijn geheugen blijft verversen.” Bij dit proces zijn twee samenwerkende eiwitten betrokken: Cas1 en Cas2. Dit eiwitcomplex knipt stukjes van het bacteriofagen-DNA in de juiste maat, zodat de genetische informatie in het geheugen van de bacterie, de CRISPR-array, kan worden opgeslagen.

De Delftse onderzoekers hebben nu ontdekt hoe de eiwitten dat doen, en er blijkt meer voor nodig te zijn dan alleen de twee Cas-eiwitten. De onderzoekers hebben onder meer ontdekt dat bij dit proces een enzym komt kijken dat ook bij een ander cellulair processen een belangrijke rol speelt: DNA-polymerase III, dat bekend is vanwege zijn rol bij DNA-replicatie, het kopiëren van DNA. “DNA-polymerase heeft een soort backspace-functie voor als het bij het kopiëren van DNA een foutje maakt”, legt Joo uit. “Wij hebben ontdekt dat het die functie ook gebruikt om fragmenten vijandig DNA op maat te snijden, zodat het kan worden opgenomen in de CRISPR-array.”

Naast de ontdekking dat DNA-polymerase een sleutelrol speelt bij de geheugenvorming in bacteriën, hebben de onderzoekers ook achterhaald waar een stukje vijandig DNA aan moet voldoen zodat de Cas-eiwitten ermee uit de voeten kunnen, en op welke manier de eiwitten het DNA bewerken en inbouwen in het geheugen.  

Biologisch logboek
Deze nieuwe fundamentele kennis over de geheugenvorming in bacteriën is belangrijk voor de verdere ontwikkeling van een nieuwe techniek die ‘DNA recording’ heet. “De afgelopen jaren hebben meerdere onderzoeksgroepen laten zien dat het mogelijk is om op basis van deze systemen een soort biologisch logboek te bouwen”, vertelt onderzoeksleider Sungchul Kim.

Het idee is dat je met een dergelijk systeem informatie over processen die in de cel plaatsvinden kunt opslaan in het DNA van die cel. En omdat Cas1 en Cas2 informatie in chronologische volgorde opslaan, kun je, als je na verloop wat cellen uit de tumor haalt, precies teruglezen hoe de tumor zich heeft ontwikkeld. Artsen kunnen deze waardevolle diagnostische gegevens vervolgens gebruiken om een op maat gemaakt behandelplan te schrijven.

Op dit moment staat DNA recording nog in de kinderschoenen. “Er zijn al wel eenvoudige systemen ontwikkeld, maar die zijn niet efficiënt en kunnen bijvoorbeeld niet meerdere processen tegelijkertijd volgen”, aldus Kim. Het is bovendien nog niet gelukt om dit soort recorders in menselijke cellen aan de praat te krijgen. “Maar doordat we nu weten hoe Cas1 en Cas2 werken, hebben we de informatie die we nodig hebben om te begrijpen waar het mis ging”, vervolgt Kim. “Dat stelt ons in staat om efficiëntere DNA-recorders te ontwerpen die ook in menselijke cellen werken.”

Bekijk hier een wetenschappelijke animatie.