DNA met een twist door een snufje zout

Een team van biofysici van de UU heeft gemeten hoe de draaiing van DNA wordt beïnvloed door de aanwezigheid van zout. “De nieuwe kennis is van belang voor het maken van DNA-structuren voor nanomaterialen.” De publicatie verscheen deze week in het wetenschappelijke tijdschrift Nucleic Acids Research.

In DNA is onze erfelijke informatie vastgelegd. Het molecuul bestaat uit twee lange, aan elkaar gekoppelde strengen van basen, die om elkaar heen draaien en zo de bekende dubbele helix vormen. Maar de precieze structuur van DNA wordt beïnvloed door zijn omgeving, in een levend organisme de cel of celkern. Onderzoeksleider Jan Lipfert, hoogleraar Biofysica aan de Universiteit Utrecht: “Aangezien het molecuul zelf een negatieve lading heeft, zijn positief geladen ionen in de omringende vloeistof van grote invloed op zijn eigenschappen. 70% van ons lichaam bestaat uit in feite uit een zoutoplossing. Naast de temperatuur is de concentratie en samenstelling van die zoute omgeving van invloed op bijvoorbeeld de draaiing van DNA.”

Nieuwe materialen maken van DNA

Lipfert en postdoctoraal onderzoeker Willem Vanderlinden willen uitzoeken welke invloed verschillende ionen hebben op de draaiing van DNA. Lipfert: "Dit is van fundamenteel belang, niet alleen voor de biologische rollen van DNA, maar ook omdat DNA steeds vaker wordt gebruikt als constructiemateriaal in nanotechnologische toepassingen. In zogenaamde DNA-origami, bijvoorbeeld, wordt DNA gevouwen tot nauwkeurig gecontroleerde 3D-structuren. Dit maakt DNA tot een nieuw materiaal. Bijvoorbeeld om nanoschakelaars te bouwen om te proberen processen in het lichaam te sturen, maar zelfs om structuren te maken die kunnen leiden tot betere zonnecellen."

Met DNA kun je bijvoorbeeld nanoschakelaars bouwen om processen in het lichaam te sturen.

De impact van één graad draaien

De Utrechtse biofysici stelden met zogeheten magnetische ‘pincetten’ vast hoe verschillende ionen in variërende concentraties de DNA-origami mogelijk maken. “Wij kunnen dat nu nauwkeurig meten en dat was nog nooit eerder gedaan. We hebben bijvoorbeeld ontdekt dat het lithium-ion zorgt voor een sterkere draaiing van de DNA-helix dan het natriumion, onderdeel van keukenzout, én dan het kaliumion, het ion dat van nature het meest voorkomt in de cel”, licht Lipfert toe. “Die kennis is voor nanotechnologen van groot belang bij het ontwikkelen van biomaterialen. DNA-origami bestaat uit structuren van miljoenen basenparen. Als elk bouwsteentje één graad meer draaiing heeft, dan leidt dat tot een heel andere driedimensionale structuur.“

Simulaties

Om hun labresultaten om te zetten naar een rekenmodel dat algemeen geldt, werkten Lipfert en zijn collega’s samen met collega’s van het Max Planck Institute of Biophysics in Frankfurt, die de moleculaire dynamica simuleerden. Daaruit bleek enerzijds dat verschillende ionen zich verzamelen op verschillende plekken rondom het DNA en ook hoe chemische interacties van een ion met het DNA een belangrijke rol speelt in de winding van het DNA-molecuul.

Door simulaties en experimenten te vergelijken, ontdekten de onderzoekers bovendien dat de simulatieresultaten voor bijvoorbeeld de ionen lithium, natrium en kalium goed overeenkomen met de metingen, maar dat was niet het geval voor bijvoorbeeld het cesium-ion. De kwantitatieve vergelijking geeft aanwijzingen over hoe de parameters in de toekomst te verbeteren zijn.