Wetenschap
Het vouwen van DNA-origami vastleggen met een nieuw dynamisch model
De meeste mensen zijn bekend met de dubbele DNA-helix. De gedraaide laddervorm ontstaat doordat de lange stukken DNA waaruit ons genoom bestaat precies complementair zijn:elke adenine gekoppeld aan een thymine, en elke cytosine gekoppeld aan een guanine. Sequenties van deze vier nucleotiden bevatten de informatie die nodig is om de eiwitten in ons lichaam te bouwen, maar ze coderen ook voor hun eigen dubbele helixstructuur.
Sinds de jaren tachtig hebben wetenschappers deze koppelingsregels echter gekaapt om andere structuren dan dubbele helices te bouwen. Dit vakgebied heet DNA-nanotechnologie, en de meest populaire implementatie ervan, DNA-origami, stelt onderzoekers in staat DNA in elke vorm te vouwen, wat een krachtige aanpak biedt voor het bouwen van apparaten en machines op nanoschaal.
DNA-origami houdt in dat je een lang stuk DNA, een zogenaamde scaffold, samen met honderden zorgvuldig geselecteerde korte stukjes DNA, de zogenaamde nietjes, in een reageerbuisje plaatst en ze samen laat vouwen tot de ontworpen structuur.
De technologie is opmerkelijk efficiënt, waarbij het hele proces in één experimentele stap plaatsvindt. Ondanks de schijnbare eenvoud is het proces complex en hebben wetenschappers geen volledig beeld van wat er tijdens het vouwen gebeurt. Gewone microscopen hebben moeite met het zien van DNA-origamistructuren omdat ze zo klein zijn, en voor structuren waarbij de structuren aan een oppervlak moeten worden bevestigd.
Eén manier om dit proces te proberen begrijpen is door middel van computersimulaties, waarbij gebruik wordt gemaakt van een aanpak die bekend staat als moleculaire dynamica. Onderzoekers hebben in het verleden geprobeerd deze simulaties te gebruiken om te begrijpen wat er gebeurt als DNA-origamistructuren vouwen. Bestaande modellen houden echter rekening met elk afzonderlijk nucleotide en de daaruit voortvloeiende bewegingen van de evoluerende structuur over miljarden kleine tijdstapjes. Het proces is rekenintensief en beperkt de omvang van de structuren en de tijd waarover de dynamiek kan worden gesimuleerd.
Om deze hindernis te omzeilen, doen Gaurav Arya, hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de Duke University, en zijn promovendus Marcello Deluca een stapje terug.
In plaats van elk afzonderlijk nucleotide te simuleren, ontwikkelden ze een nieuw model waarmee ze de dynamiek van dit proces konden vastleggen, terwijl ze alleen rekening hielden met het gedrag van groepen van acht nucleotiden. Deze vereenvoudiging betekent dat, hoewel ze nog steeds de structuur van miljarden stappen kunnen simuleren, elk van die stappen veel groter kan zijn en dat elke stap gemakkelijker te simuleren is.
Deze aanpak wordt gebruikt in een artikel dat op 8 april online is gepubliceerd in Nature Communications hebben Arya en DeLuca aangetoond dat ze de dynamiek van het honderden keren vouwen kunnen modelleren voor DNA-origami van meer dan 8.000 nucleotiden groot. Het vorige record voor een enkele simulatie was 770.
"Onze techniek mist de moleculaire details van bestaande modellen, maar dat is niet wat we hier zoeken", zei Arya. "We zijn geïnteresseerd in de mondiale dynamiek van hele complexe structuren terwijl ze zichzelf assembleren."
De resultaten onthullen al veel nieuwe inzichten in de dynamiek van het vouwen van origami. Uit het onderzoek bleek bijvoorbeeld dat deze structuren al heel vroeg in het proces veel op de uiteindelijke, gevouwen structuren gaan lijken, maar dat het lang duurt voordat ze uitkristalliseren in hun uiteindelijke vorm. De studie suggereerde ook dat een fenomeen genaamd vouwmomentum, dat erg belangrijk is bij het vouwen van eiwitten, ook een rol zou kunnen spelen bij het vouwen van origami.
Arya en DeLuca zeggen dat deze aanpak uiteindelijk de honderden andere onderzoeksgroepen die op dit gebied werken, kan helpen de vouwing van hun structuren te optimaliseren. Door het vouwresultaat van een ontwerp in korte tijd vele malen te kunnen simuleren, kunnen wetenschappers het eindproduct voorspellen en verbeteringen aan het ontwerp aanbrengen voordat het ooit moet worden gekocht en in het laboratorium moet worden gevouwen.
Ze wijzen er ook op dat deze modelleringsaanpak potentiële toepassingen van DNA-origami zou kunnen helpen versnellen, bijvoorbeeld bij de toediening van medicijnen, omdat het een uitgebreider inzicht geeft in wat er gebeurt.
"DNA-origami-apparaten kunnen worden ontworpen om gevangen moleculen automatisch vrij te geven zodra ze worden blootgesteld aan een bepaalde omgeving, zoals de lagere pH-waarden die in een tumor worden aangetroffen", aldus DeLuca.
"Maar een grote uitdaging om zoiets goedgekeurd te krijgen is een voldoende kennis van deze apparaten, inclusief hoe ze hun lading opvouwen en loslaten. Als we een beter beeld kunnen schetsen, kan dit de zorgen over de regelgeving voor dit soort therapieën verlichten."