EO

Onderzoekers zien razendsnel jagend CRISPR-systeem in actie

15 november 2019 om 09:12 uur

Over de hele wereld gebruiken onderzoekers CRISPR-systemen voor genbewerking, met CRISPR-Cas9 als bekendste voorbeeld. Toch bestaat er nog veel onduidelijkheid over hoe dit soort systemen te werk gaan in de cel. Onderzoekers van de TU/D en WUR hebben 1 zo’n systeem, het CRISPR-Cascade-complex, nu voor het eerst gevolgd tijdens de jacht op vijandig DNA. Het bacteriële verdedigingsmechanisme is verbazingwekkend snel en efficiënt: elke seconde controleert het maar liefst 100 verschillende stukjes DNA.


CRISPR-Cas heeft het afgelopen decennium een revolutie in de wereld van de genbewerking teweeggebracht. Waar het aanpassen van DNA in een levende cel vroeger monnikenwerk was, kunnen onderzoekers met dit relatief nieuwe tooltje nu heel eenvoudig genen uitschakelen, of met bijna chirurgische precisie een streng genetisch materiaal openknippen om er een nieuw stukje DNA tussen te plakken.

 

Biologisch fabriekje

Vaak wordt CRISPR-Cas gezien als 1 ding, maar in werkelijkheid zijn er heel veel van dit soort systemen. Het zijn verdedigingsmechanismen die bacteriën beschermen tegen aanvallen van piepkleine virusdeeltjes, zogeheten bacteriofagen. Deze maanlander-vormige deeltjes binden zich aan het oppervlak van een bacteriële cel en pompen hun DNA naar binnen. Ze gebruiken de cel vervolgens als biologisch fabriekje om zichzelf duizenden keren te kopiëren. Is dat eenmaal gebeurd, dan laten ze de bacterie uiteenspatten, waarna ze met z'n duizenden op zoek gaan naar een nieuw slachtoffer.


CRISPR-Cas-systemen zijn het antwoord van bacteriën op deze dreiging. Ze bestaan uit twee onderdelen: een systeem dat jaagt op vijandelijk DNA, en een systeem dat het DNA kapot knipt. In sommige gevallen heeft de natuur deze systemen aan elkaar gekoppeld tot een all-in-one-oplossing, wat heeft geleid tot Cas9.

 

Moleculair gereedschap

Onderzoekers hebben dit vernuftige biologische mechanisme omgebouwd tot een stuk moleculair gereedschap waarmee ze DNA in levende cellen kunnen herschrijven. Maar vreemd genoeg zijn er nog heel wat openstaande fundamentele vragen over de werking van CRISPR-systemen. Pas onlangs bleek bijvoorbeeld dat het herschrijven van DNA met CRISPR-Cas9 kan leiden tot ongewenste mutaties. Voordat we de techniek kunnen gebruiken om, bijvoorbeeld, ziekten uit ons DNA te schrijven, moeten we dus precies weten hoe het systeem werkt.


Onderzoekers van de TU Delft hebben nu voor het eerst een CRISPR-systeem aan het werk gezien in een levende bacterie. Het gaat om het zogeheten Cascade-complex. "We kennen dat al sinds 2008 en het was het eerste CRISPR-systeem dat we ontdekten", vertelt groepsleider Stan Brouns. "Desondanks wisten we nog niet hoe het Cascade-complex door de cel beweegt. Ook was het ons niet duidelijk hoe snel het systeem werkt, en hoeveel complexen nodig zijn om een bacterie goed te beschermen."

 

Flinke investering

Wat al wel duidelijk was, is dat CRISPR-systemen zoeken naar een naald in een hooiberg. "In een bacteriële cel zit ontzettend veel DNA, zo rond de 5 miljoen baseparen, de letters van de genetische code. Verreweg het grootste deel daarvan is eigen DNA", zegt onderzoeksleider Jochem Vink. "Het Cascade-complex zoekt naar een stukje van pak ‘m beet 30 base-paren."


Hoe doet het systeem dat? Een mogelijkheid zou zijn dat de bacterie een legertje Cascade-complexen aanmaakt. Vele handen maken licht werk. "Maar het aanmaken en onderhouden van dit soort systemen is een flinke investering voor een bacterie", aldus Vink. "We verwachtten dus niet dat ze heel veel van dit soort complexen nodig zouden hebben om toch goed beschermd te zijn." Dat voorgevoel bleek te kloppen: de berekeningen van de onderzoekers wijzen uit dat 100 Cascade-complexen een bacterie een goede kans geven om te overleven.

 

Harde werkers

Maar hoe kunnen slechts 100 Cascade-complexen zo'n enorme massa DNA controleren? Het antwoord ligt voor de hand: het zijn harde werkers. De onderzoekers konden met een snelle laserpuls 100 keer per seconde een plaatje van de Cascade-complexen maken. Op die manier zagen ze of de complexen bewogen of stilstonden. "Op het moment dat ze even niet bewogen, hadden ze zich logischerwijs aan een stuk DNA vastgeklampt om het te controleren", aldus Brouns .


De snelheid waarmee Cascade-complexen DNA controleren is bijna niet te bevatten. Per seconde blijkt een complex maar liefst honderd stukken DNA te checken. Dat is even snel als de laserpuls, dus de onderzoekers moesten een rekenmethode ontwikkelen om de gaten in hun observaties te vullen. "In eerste instantie verbaasde het ons hoe rap ze te werk gaan", zegt Vink. "Maar aan de andere kant is het ook niet gek. Er is zoveel DNA om te checken en zo weinig tijd voordat een faag de cel heeft overgenomen, dat de complexen wel snel móeten handelen."


Wat is voor een bacterie de optimale hoeveelheid CRISPR-systemen? "Dat ligt eraan", zegt Brouns. "Met twintig complexen is de kans op overleving fiftyfifty. Maar aangezien bacteriekolonies doorgaans uit miljarden exemplaren bestaan, kunnen ze misschien ook met minder uit de voeten." De omgeving waarin een bacterie leeft speelt een belangrijke rol. Op plekken waar veel fagen leven zullen ze meer energie steken in een goede bescherming dan op plekken waar de dreiging minder is. "Bacteriën zoeken daarin ongetwijfeld een evenwicht", zegt Vink. "Het zijn hele ingenieuze beestjes."

 

Gerelateerd nieuws

Bommetje onder supergeleidingstheorie

Bommetje onder de supergeleidingstheorie

Metingen aan een supergeleider laten een scherpe overgang zien tussen een gewoon metaal en een zogeheten 'vreemd' metaal. Maar wat pas echt vreemd is: de overgang verliest die scherpte weer als de temperatuur…

Wereldrecord energiezuinige dataconversie voor IoT

Wereldrecord energiezuinige dataconversie voor IoT

Het succes van IoT, dat bestaat uit veel kleine en autonoom werkende sensoren, hangt in hoge mate af van het energieverbruik. De energie die nodig is om de fysieke signalen om te zetten in digitale data, kan nog flink…

Een Marsbasis bouwen met bacteriën

Een Marsbasis bouwen met bacteriën (video)

Hoe maak je een Marsbasis? Simpel: je stuurt een capsule met wat bacteriën naar de rode planeet en laat ze daar ijzer mijnen. Na een aantal jaren stuur je er mensen achteraan die met het materiaal een basis bouwen.

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Product van de maand

RSS
Nieuwe Safety Field Box van Schmersal

Eenvoudige installatie-oplossing voor complexe machines: veiligheidsveldbus met PROFINET/PROFIsafe-veldbusinterface

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

B&R Industriële Automatisering BV *
B&R Industriële Automatisering BV *

Perfection in Automation

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Ringspann Benelux BV
Ringspann Benelux BV

Partner in aandrijf- en opspantechniek

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

9 december 2019, D&F kantoor Breda

Veiligheid van beweegbare bruggen volgens NEN 6787

10 december 2019, Utrecht

International MicroNanoConference 2019

De actieve betrokkenheid van industrie, wetenschap en gebruikersgemeenschap van microsystemen en...

Meer agendapunten »