Onderzoekers TU Delft werpen nieuw licht op DNA-replicatie

Nieuws - 14 april 2023 - Webredactie Communication

DNA-replicatie is het proces waarbij cellen een exacte kopie maken van hun DNA in voorbereiding op de celdeling. Een belangrijk onderdeel van het complexe proces van DNA-replicatie is een moleculaire motor genaamd CMG. De essentiĆ«le taak van CMG is het scheiden van de twee DNA-strengen van de dubbele helix zodat deze kunnen worden gekopieerd. Een interdisciplinair team van onderzoekers van de TU Delft heeft een nieuwe methode ontwikkeld om de beweging van CMG met een ongeĆ«venaarde resolutie samen te stellen en te visualiseren. Hun bevindingen, op 14 april 2023 gepubliceerd in het open-access tijdschrift Nature Communications, maken de weg vrij voor toekomstige ontdekkingen op het gebied van DNA-replicatie. 

DNA-replicatie is essentieel voor het bestaan: de getrouwe overdracht van genetische informatie tussen generaties cellen is cruciaal voor het voortbestaan en de gezondheid van alle levende organismen. Deze replicatie wordt uitgevoerd door een complexe moleculaire machine, het zogenaamde replisoom, dat bestaat uit verschillende eiwitbouwstenen. Een cruciaal onderdeel van deze machine is CMG, de moleculaire motor die het replisoom tijdens de DNA-replicatie aandrijft. 

CMG speelt een belangrijke rol bij het scheiden van de twee strengen DNA, dubbele helix, zodat de boodschap ervan kan worden gelezen en gekopieerd. ā€œBegrijpen hoe CMG langs DNA beweegt is essentieel voor het begrijpen van DNA-replicatieā€, aldus Daniel RamĆ­rez Montero, onderzoeker en eerste auteur van de publicatie. Onderzoek naar DNA-replicatie is belangrijk, aangezien fouten in dit proces kunnen leiden tot genetische aandoeningen of kanker.

Schema van de experimentele opstelling: (Bovenaan in figuur) Schema van een CMG-bevattend DNA-molecuul dat op zijn plaats wordt gehouden met een optisch pincet (rode straal) terwijl een scanning laser (groene straal) er een foto van maakt; CMG-motoren zijn afgebeeld in blauw. (Onderaan in figuur) Werkelijk beeld van een fluorescent gelabelde CMG-moleculaire motor (groene vlek) op een ongelabeld DNA-molecuul dat op zijn plaats wordt gehouden met een optisch pincet. Bron: TU Delft Daniel Ramirez Montero.

Beweging op film

In levende cellen wordt CMG gevormd en geactiveerd via een complexe cascade van biochemische reacties waarbij 36 verschillende eiwitten betrokken zijn. Een groep onderzoekers van de TU Delft onder leiding van Spinozalaureaat prof. dr. Nynke Dekker, in samenwerking met dr. John Diffley, groepsleider van het Francis Crick Institute, heeft een manier ontwikkeld om dit streng gecontroleerde proces buiten de cel te laten plaatsvinden en de beweging van individuele CMG moleculaire motoren te meten. De onderzoekers hebben alle 36 eiwitten uit cellen gehaald om CMG op DNA op te bouwen. Door fluorescerende labels aan enkele van de eiwitten te verbinden, konden zij de beweging van de CMG moleculaire motor op het DNA onder een fluorescentiemicroscoop bestuderen. 

ā€œMet deze nieuwe benadering konden wij de beweging van individuele CMG's vanaf het eerste moment zichtbaar maken. Met behulp van optische pincetten konden wij het DNA met CMG stil houden om het beter zichtbaar te maken. Vervolgens hebben we films gemaakt van CMG dat langs het DNA beweegt. Zo konden wij deze bewegingen voor de allereerste keer op het niveau van een enkel molecuul ā€, legt Ramirez Montero uit. 

Voorbeeld van CMG-motoren die in Ć©Ć©n richting langs een DNA-molecuul in een optische val bewegen in de aanwezigheid van ATP.

Nieuwe inzichten

Met behulp van hun bottom-up benadering, een combinatie van geavanceerde biochemie en biofysica, kon de groep onderzoekers voor de eerste keer de beweging van individuele zelfgemaakte CMG-motoren zichtbaar maken en deze beweging met ongeĆ«venaarde resolutie meten. Daarnaast deden zij de onverwachte ontdekking dat CMG willekeurig langs het DNA kan bewegen wanneer een belangrijk molecuul genaamd ATP afwezig is. Verder laten zij zien dat CMG door het aansluitend opnieuw binden van ATP stevig vast blijft zitten aan het DNA waarbij de willekeurige beweging ervan wordt gepauzeerd. Dit pauzeren is belangrijk, aangezien dit waarschijnlijk de activatie van CMG mogelijk maakt, een cruciaal proces in de start van DNA-replicatie. 

Deze bevindingen maken de weg vrij voor toekomstige studies waarbij onbekende details van cruciale processen in DNA-replicatie kunnen worden ontdekt. Deze ontdekkingen kunnen er op hun beurt voor zorgen dat wij steeds beter begrijpen hoe cellen erin slagen hun genetische informatie bij elke celdeling accuraat door te geven en om beter te begrijpen hoe fouten in dit proces kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van erfelijke aandoeningen of kanker. RamĆ­rez Montero: ā€œBiologische systemen kunnen in eerste instantie zeer gecompliceerd en chaotisch lijken, maar door ze met deze resolutie te observeren, kunnen we de eenvoudige en elegantie natuurkunde erachter begrijpen.ā€

TU Delft Health & CareĀ 

De gezondheidszorg staat onder druk. Medische professionals willen hun patiĆ«nten de beste en de juiste zorg bieden, maar hebben te maken met o.a. personeelstekort, stijgende zorgkosten en een fors duurzaamheidsprobleem. TU Delft werkt, in samenwerking met medische professionals, aan de houdbaarheid van de zorg op de lange termijn. Met onderzoek en innovatie wil de TU Delft de zorg voor patiĆ«nten en het werk van zorgprofessionals verbeteren en het complexe en vaak inefficiĆ«nte zorgsysteem toekomst ā€“en crisisbestendig maken.

Met ruim 30% health gerelateerd onderzoek, een topklinisch ziekenhuis naast de deur en twee grote academische ziekenhuizen in de regio maakt TU Delft wereldwijde impact.
Of het nu gaat om de ontwikkeling van medische instrumenten, monitoring, zorg op afstand, imaging of klinisch onderzoek. Delftse ingenieurs zijn de ideale partner; vanaf het begin werken ze als team samen, betrekken ze patiĆ«nten bij hun onderzoek en testen zoveel mogelijk in de zorgpraktijk. Hierdoor zijn nieuwe technologieĆ«n beter toepasbaar in praktijk en vinden sneller hun weg naar de OK, de consultatiekamer en het bed van de patiĆ«nt.  

TU Delft. Impact for a better society.