ETH-onderzoekers hebben een methode ontwikkeld waarmee grote hoeveelheden genetische informatie in cellen kunnen worden gecomprimeerd en vervolgens weer gedecomprimeerd. Dit zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van nieuwe therapieën.

Wat doet u als u een groot document of een afbeelding met een hoge resolutie heeft die te groot is om via e-mail te verzenden? Je ritst het eenvoudig tot een beter hanteerbaar formaat met behulp van geschikte software. "In plaats van de informatie 'wit-wit-wit-wit-wit-...' voor elke afzonderlijke pixel op een witte lijn te sturen, alleen de melding 'wit 1, 000 keer' wordt verzonden, " legt Kobi Benenson uit, Hoofd van de groep Synthetische Biologie bij ETH's Department of Biosystems Science and Engineering in Basel. Eenmaal ontvangen, de informatie kan dan worden teruggebracht naar de oorspronkelijke grootte, d.w.z. uitgepakt.

Beperkte transportcapaciteit

Deze methode voor digitale bestanden inspireerde Benenson en zijn collega Nicolas Lapique tot het ontwikkelen van een innovatieve oplossing voor biologische systemen. Ze werkten een methode uit waarmee het DNA van genetisch materiaal kan worden geritst:het wordt gecomprimeerd voor transport in cellen en vervolgens in de cel geassembleerd tot functionerende genetische informatie.

Dit type oplossing kan nuttig zijn voor biologen, met name voor synthetische biologie of biotechnologie, omdat de wetenschappers beperkt zijn wanneer ze grote hoeveelheden informatie in de vorm van DNA in cellen proberen te implanteren. Het probleem is dat de transportvoertuigen die nu voor dit doel worden ingezet slechts met een beperkte hoeveelheid DNA geladen kunnen worden.

Herhalingen in DNA verwijderen

Het basisprincipe achter deze innovatieve DNA-compressie is hetzelfde als het principe achter het zippen van een digitaal bestand:"Elementen die vaak voorkomen in de DNA-sequentie die moet worden geïmplanteerd, worden maar één keer verzonden, ", legt Benenson uit.

Bijvoorbeeld, dit zou kunnen gelden voor promotors - secties van het DNA die regelen of en hoe het bijbehorende gen wordt gelezen. Als het DNA dat de cel in moet worden getransporteerd vier verschillende genen bevat die allemaal dezelfde promotor hebben, het wordt maar één keer opgenomen.

Strak verpakt en weer in elkaar gezet op de bestemming

Het verwijderen van ontslagen is niet alles, echter. De ETH-onderzoekers assembleren het DNA dat volgens bepaalde regels de cel in moet worden getransporteerd. Benenson heeft het over "gecomprimeerde codering".

De vier genen in ons voorbeeld krijgen eerst een gezamenlijke promotor. De onderzoekers rijgen de vier coderende gensequenties compact aan elkaar op de dubbelstrengs DNA. Ze rusten het allemaal uit met individuele stopsequenties en - belangrijker nog - verschillende bindingsplaatsen voor een recombinase, een enzym dat kan openen, draaien, en DNA-strengen weer in elkaar te zetten.

"De recombinase neemt de rol op zich van de decompressiesoftware, ", legt Benenson uit. Het zorgt ervoor dat de componenten van het gecomprimeerde DNA in de cel werkend worden geassembleerd. Voor de vier voorbeeldgenen geldt dit betekent dat elk zijn eigen promotor krijgt zodra hij weer in elkaar is gezet.

Genetische programma's detecteren tumorcellen

Benenson en Lapique konden aantonen dat met deze nieuwe methode grote 'genetische programma's' in zoogdiercellen kunnen worden geïmplanteerd. "Deze zijn door de mens gemaakt en voeren specifieke taken uit in de cellen, " legt Benenson uit. Met andere woorden, ze omvatten een heel arsenaal aan biologische componenten zoals eiwitten en RNA die op een gecoördineerde manier in de cel werken om een ​​door de wetenschappers gedefinieerd doel te bereiken. In de biotechnologie, deze methode zou het mogelijk maken om bepaalde complexe stoffen te creëren, zoals actieve ingrediënten voor medicijnen.

Benensons groep, echter, werkt aan genetische programma's die hopelijk in de toekomst veel gecompliceerdere taken zullen beheersen. Een van die taken is het richten op kanker, wat betekent dat het programma specifieke stoffen kan detecteren, de markeringen, in een cel. Afhankelijk van de concentratie, het beslist of de cel gezond is of dat het een tumorcel is - die het programma dan zelfstandig zou kunnen elimineren. Het zou een soort alles-in-één oplossing zijn voor de bestrijding van tumoren die het onderzoek zou dekken, diagnose en zelfs behandeling. Het is aangetoond dat deze aanpak werkt in celculturen en de onderzoeker zou het ook graag in een diermodel willen testen.

Nauwkeurigere diagnoses dankzij nieuwe methoden

Met momenteel beschikbare DNA-bezorgvoertuigen, de nauwkeurigheid om te beslissen of een cel gezond of kanker is, is nog steeds niet hoog genoeg, omdat er niet genoeg verschillende markers tegelijk kunnen worden aangebracht vanwege de beperkte hoeveelheid DNA die kan worden overgedragen.

"Een combinatie van vier tot zes markers zou ideaal zijn, " legt Benenson uit. Om al deze te detecteren, echter, het overeenkomstige aantal sensoren is nodig om de markerstoffen te herkennen. Meer sensoren - het gaat om eiwitten, RNA, en DNA-componenten - zou ook betekenen dat er meer DNA in de cel moet worden geïmplanteerd als de blauwdruk van de sensoren. Ze hopen nu dat een programma deze nieuwe methode voor het comprimeren en decomprimeren van DNA kan gebruiken om extra sensoren te implementeren en zo de nauwkeurigheid te verhogen.

Lenen uit informatietechnologie

Het is geen toeval dat de genetische programma's die door Benenson en Lapique zijn ontwikkeld logisch gestructureerd zijn en op dezelfde manier werken als computerprogramma's. "Ons onderzoek is vaak geïnspireerd door informatica en informatietechnologie, ", legt Benenson uit. Hij houdt er duidelijk van om buiten de gebaande paden te denken. Als het gaat om de nieuwe DNA-transportmethoden, het is veilig om te zeggen:het is een geluk dat e-mailbijlagen beperkingen hebben qua grootte.

De studie is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .