Nieuws

2 dec 16 dwdd university Robbert Dijkgraaf zeer boeiend college: terugzien!
21 nov 16: Persbericht: KNAW: genome editing vraagt om publiek debat en heldere regelgeving
18 nov 16: Volkswagen schrapt 30.000 banen door dieselschandaal en transitie naar elektrische auto
16 nov 16: 100.000e elektrische auto rijdt op de Nederlandse weg (AD)
10 nov 16: Is Erik Verlinde de nieuwe Einstein? Sterrenkundige Margot Brouwers resultaten wijzen er op dat Verlindes theorie klopt!
8 nov 16: Nederlander Erik Verlinde komt met baanbrekende theorie over zwaartekracht
8 nov 16: Chimpansees winden draderige algen als spaghetti om een stokje nrc
6 nov 16: The Origami Code. NPO 2 Zondag 6 nov 2016 19:15. Kijk de aflevering hier terug. Is zeer de moeite waard!

*) zie hier. [ Archief Actualiteiten ]

20 april 2012

Waarom DNA? (5) XNA: een belangrijke stap naar functioneel alternatief DNA

Vandaag in Science bijzonder opwindende nieuwe onderzoeksresultaten over alternatief DNA.  (Postscript zondag 22 april)

Inleiding:
Achteraf gezien is het merkwaardig dat de ontdekking van de chemische structuur van DNA in 1953 door Watson en Crick niet tot speculaties leidde over hoe DNA ontstaan kon zijn toen het leven ontstond [1]. Echter, men had toen wel wat anders aan 't hoofd: hoe codeert DNA voor eiwitten? (m.a.w.: het probleem van de genetische code) en zulke fundamentele zaken als hoe DNA 'zichzelf' repliceert. Omdat men meende dat DNA uniek geschikt was als informatiedrager, had niemand behoefte aan alternatief DNA. Men was zó onder de indruk van de elegante, regelmatige structuur van DNA, als de enige oplossing voor het probleem, dat er gewoonweg geen alternatief kón bestaan. Bovendien hád men al enige alternatieven op papier uitgeprobeerd en verworpen. Bijvoorbeeld die van Linus Pauling met de fosfaatgroepen en suikers aan de binnenkant en de bases aan de buitenkant.

enkelstrengs DNA
(bases T,C,A,G rechts,
fosfaat-suiker backbone links)
Voor het ontstaan van het leven was die uniekheid van DNA echter een groot probleem. Als er maar één molecuul geschikt is als drager voor erfelijkheid, is het dan niet erg onwaarschijnlijk dat precies dat ene molecuul toevallig uit beschikbare chemische elementen aanwezig op de levenloze aarde tevoorschijn zou komen? De gedachte ontstond toen dat de juiste bouwstenen van DNA (suiker, fosfaat, bases) noodzakelijk moesten ontstaan in het pre-biotisch tijdperk. En die bouwstenen vormden DNA omdat dat ook chemisch noodzakelijk was. De bouwstenen konden maar één (stabiele) structuur vormen: en dat was de dubble helix met de 4 bases aan de binnenkant.

Nader onderzoek naar het ontstaan van DNA uit bouwstenen leverde hardnekkige problemen op. Men concludeerde dat er voorlopers moesten zijn. Toen opperde men een RNA-wereld als voorloper van de DNA-wereld. Dat was een grote doorbraak. Maar na veel onderzoek kwam toch langzamerhand de vraag naar boven: hoe ontstond de RNA-wereld? Voorlopers van de RNA wereld natuurlijk! was het antwoord. Maar welke? Chemici gingen zoeken naar primitieve voorlopers van de RNA/DNA wereld.

En ze vonden een aantal geschikte kandidaten. Die konden wel paren met DNA en RNA, maar konden zichzelf niet repliceren. Dat klinkt vreemd als je bedenkt dat de bases paren volgens de beroemde Watson-Crick base paren AT en CG. Die passen chemisch precies. Dat inspireerde Watson en Crick tot de beroemde understatement: de base paring in DNA suggereert een mechanisme voor replicatie!. Dat was de basis voor erfelijke informatie. Het moge dan wel zo zijn dat de bases specifiek paren, dat wil nog niet zeggen dat de dubbele helix zich efficient kan vormen en verdubbelen (DNA replicatie) zonder enzymen. Dat was een probleem (bv voor het ontstaan van het eerste DNA). Nu zijn we aangeland bij het nieuwe onderzoek dat vandaag in Science verscheen.

DNA en zes alternatieve suikers in de 'backbone'
©Science 20 april 2012 (labels toegevoegd)
Pinheiro en medewerkers hebben 6 alternatieven voor de suiker in DNA (desoxyribose) en RNA (ribose) ontworpen en uitgeprobeerd. Die alternatieven worden XNAs genoemd (X = xeno = vreemd). Die XNAs hebben een andere backbone dan DNA. De bases en fosfaat zijn het zelfde. Zie plaatje. Dit is een behoorlijke uitbreiding van de mogelijkheden om een 'erfelijkheidsmolecuul' te maken. De nieuwe XNAs konden een dubbele helix vormen met de helft van traditioneel DNA en RNA. Ook dat is belangrijk.

Het meest vernieuwende aspect is dat de onderzoekers enzymen (polymerases) hebben ontwikkeld d.m.v. artificiële evolutie die stukken XNA konden kopieren naar DNA en weer terug. Dit was nodig omdat de natuurlijke enzymen die DNA kopieren niet werken voor XNA. Enigszins logisch. Het is nog niet gelukt om XNA volledig zelfstandig met behulp van nieuwe xeno-enzymen te laten repliceren (er is een tussenstap via DNA nodig). Dat is de volgende stap. Wanneer dat gelukt is heb je zowel alternatief DNA als een enzym dat XNA kan repliceren. Wanneer je dat hebt kan er een evolutie proces starten. In ieder geval in het lab.

De betrouwbaarheid van replicatie van XNA met de xeno-enzymen is in de orde van 95% tot 99%. Dit lijkt veel maar is lager als modern DNA. De reden is dat de nieuwe xeno-polymerase enzymen geen repair-activiteit hebben. De betrouwbaarheid berust dan geheel op base paring.

De auteurs hebben ook nog gekeken naar de mogelijkheid van evolutie van de XNA moleculen.Volgens hun proefopzet lukte dat. Ze concludeerden:
"DNA and RNA are not functionally unique as genetic materials".
Dus: XNAs kunnen functioneren als dragers van erfelijkheid en kunnen evolueren. Dit is een forse maar belangrijke uitspraak. Ze hebben in dit onderzoek geen alternatieve bases bekeken. En ze zijn ook niet ingegaan op de pre-biotische synthese van XDA. Maar, bijna 60 jaar na de ontdekking van de structuur van DNA door Watson en Crick in 1953, is nu zo langzamerhand wel aangetoond dat er alternatief DNA mogelijk is. De rest is een kwestie van tijd. Er is bovendien een link gelegd naar 'extraterrestrial life', de Origin of Life en Synthetische Biologie.

Bronnen:



(met dank aan Marleen)

Noten
  1. Crick was een fysicus en Watson was een bioloog. Beide waren dus geen (bio)chemici. Dat verklaart misschien dat ze geen verder onderzoek deden naar de vraag: Waarom DNA? Crick heeft nog de meeste belangstelling getoond voor het ontstaan van het leven: in 1981 publiceerde hij Life Itself. It's origin and nature.
Postscript zondag 22 april:
De nrc wetenschapsbijlage had een kwart pagina over XNA door Lucas Brouwers. Daar haal ik nog de volgende aardige aanvullingen uit:
 "Het startpunt was een enzym van de hitteresistente bacterie Thermococcus gorgonarius. In het lab bleek dit enzym uit zichzelf al één type onnatuurlijk suiker in een groeiende DNA streng te kunnen inbouwen." Nog 14 mutaties waren nodig. Hier blijkt al weer het belang van enzymen met grote specificiteit. Die kunnen er niet geweest zijn ten tijd van de Origin of Life?! Eigenlijk zou de nadruk van het verhaal niet zozeer op die vreemde XNA soorten moeten liggen, maar op de xeno-enzymen (xeno-polymerases). Maar dat woord wordt niet gebruikt. Ook wijst LB er op dat XNA niet door bestaande enzymen kan worden afgebroken. Al weer het belang van enzymen.
Dan komt een belangrijke vraag:
Had het leven net zo goed voor een XNA variant kunnen kiezen i.p.v. DNA? Pinheiro antwoordt: "In principe had elk molecuul de macht kunnen grijpen. En ik denk dat DNA en RNA bij toeval verschenen. Misschien heeft RNA deze andere polymeren weggeconcurreerd - óf omdat de bouwstenen van RNA talrijker waren, óf omdat RNA/DNA moleculen functioneel beter waren. De dobbelsteen was verzwaard."
Vragen:
-Wat was het evt. functioneel voordeel van RNA?
-Zijn er XNA varianten die makkelijker pebiotisch te synthetiseren zijn?
-Was het misschien cruciaal welke XNA variant als eerste over de beste polymerases beschikte?

Vorige blogs over DNA:

7 opmerkingen:

harry p zei

gert bedankt voor de uitleg
jij beleeft gouden tijden jongen!

gert korthof zei

Ja, graag gedaan. Gouden tijden! Ja zaker. Ik heb geprobeerd een enigszins begrijpelijke inleiding te schrijven die tegelijk een soort samenvatting is van al mijn vorige blogs over DNA .....

Marleen zei

Gert, erg duidelijk allemaal. Toch zie ik het niet helemaal voor me. Ook gisteren na het lezen van de artikelen over dit Science artikel kwam ik er niet uit.
De moleculen van XNA zijn dubbelstrengs XNA of zijn het altijd hybriden van een streng XNA en een streng DNA of RNA ?
Als het geen hybriden zijn dan is de eerste dubbelstrengse XNA polymeer dus chemisch gesynthetiseerd. Want er bestaat nog niet de mogelijkheid om het enzyme XNA te laten kopieren.
Immers als de tussenstap via DNA nodig is dan kan een streng XNA niet gekopieerd worden in een andere streng van XNA ?
Misschien zie ik wel iets helemaal over het hoofd, dat zou kunnen.

gert korthof zei

Marleen, goed punt. Ik kan geen expliciete vermelding vinden van dubbelstrengs XNA. Maar enkelstrengs XNA zou gewoon moeten kunnen paren met complementair enkelstrengs XNA. Je moet alleen in staat zijn complementaire strengen XNA te produceren. Dat kan als je complementaire DNA strengen met de juiste basevolgorde introduceert waarop XNA gesynthetiseerd kan worden. Op een indirecte manier zou je dan dubbelstrengs XNA kunnen krijgen door hybridisatie van twee complementaire enkelstrengs XNA. Maar de auteurs hadden daar wel wat duidelijker over kunnen zijn. De bottomline lijkt inderdaad: omdat die DNA tussenstap nodig is hebben ze kennelijk geen polymerase kunnen vinden dat rechtstreeks XNA synthetiseert op een enkelstrengs XNA template. Goed punt. Toont aan hoe moeilijk het is om DNA polymerases te ontwikkelen en dat die polymerases dus hard nodig zijn. Zonder de juiste enzymen redt je het niet.

nand braam zei

@ Gert

Het klinkt misschien vreemd, maar ik ben eigenlijk niet zo vreselijk onder de indruk. Als ik het goed begrijp gaat het alleen om wijzigingen in de backbone, niet in de basen en de basevolgorde. De backbone is natuurlijk belangrijk maar de erfelijke informatie zit toch in de traptreden, nietwaar?

Verder vraag ik me af of met name bij CeNA en HNA (de zesringen dus) de opvouwing geen probleem wordt? De afwijking van het platte vlak is hier groter dan bij een vijfring. Waren de kunstmatige ketens bij CeNa en HNA even lang als bij het gewone DNA? Ontstaat er geen probleem bij de opvouwing bij toenemende lengte van de keten bij CeNa en HNA?

gert korthof zei

Nand in je gastbijdrage (27 febr) schreef je:

"Uit een open keten hexose (bv. glucose) kan een stabiele 6-ringontstaan (5 keer C + 1 keer O). Echter we hebben een heel lange keten nodig die "slim"compact opgevouwen moet kunnen worden, anders wordt het een rommeltje. Een paar graden uit koers stelt op korte afstand weinig voor, maar op de lange afstand leidt dit tot een heel ander eindresultaat. Een eindresultaat dat waarschijnlijk niet geschikt is om de functies die DNA nu vervult, ook te kunnen vervullen."

HNA bevat een 6-ring suiker, en is een voorbeeld van een XNA die DNA goed kan vervangen. Je schrijft dat 'Een paar graden uit koers stelt op korte afstand weinig voor, maar op de lange afstand leidt dit tot een heel ander eindresultaat.' maar je vergeet dat DNA niet uit zichzelf compact opvouwt, maar wordt gevouwen rond een nucleosome en wel 147 baseparen per nucleosome. Dit moet je natuurlijk ook met TNA doen (en alle andere XNAs). natuurlijk moet je het nucleosome geschikt maken voor XNA.
Waar het dus om draait is de wederzijdse aanpassing van DNA of XNA en de enzymen die het moeten repliceren (polymerases), etc en de eiwitten (histonen) die het helpen met het opvouwen. Dat DNA zo goed lijkt te werken komt mede door een hele batterij van essentiele eiwitten en enzymen, niet alleen door de 3D-structuur.

gert korthof zei

Nand, nadat ik bovenstaande comment over het effect van nuclesomen op de stabiliteit van DNA had geschreven, kwam ik per toeval de volgende interessante publicatie tegen:
Nucleosomes Suppress Spontaneous Mutations Base-Specifically in Eukaryotes, Science 9 mrt 2012 (dus nog recent ook).
De auteurs stellen vast dat de binding van DNA aan het nucleosome vrijwel volledig de deamination van cytosine voorkomt. In het algemeen geven nucleosomes een beschermende en stabiliserende werking aan DNA. DNA in naakte toestand is kennelijk veel kwetsbaarder. Een goed voorbeeld van dat je DNA nooit geisoleerd mag bekijken als molecuul, maar altijd in de context van de levende cel moet bekijken en dat geldt dus ook voor de sterke en zwakke kanten van DNA.