ENGINEERINGNET.BE - “DNA, RNA en eiwitten zijn de belangrijkste spelers om alle processen in de cellen van ons lichaam te regelen”, aldus de Leidse hoogleraar John van Noort.
“Om het functioneren van deze moleculen te begrijpen, is het essentieel om bloot te leggen hoe hun 3D-structuur afhangt van hun sequentie. Hiervoor is het nodig om één molecuul per keer te meten. Metingen op één molecuul zijn echter nu nog bewerkelijk en traag, en het aantal mogelijke variaties in sequenties is enorm.”
Vandaar dat het team van wetenschappers een hulpmiddel ontwikkelde, genaamd SPARXS, waarmee miljoenen DNA-moleculen tegelijk zijn te bestuderen. “We kunnen nu miljoenen moleculen binnen een dag tot een week meten”, zegt de Delftse hoogleraar Chirlmin Joo.
“Dit stelt ons in staat om grote sequentiebibliotheken te bestuderen, wat nieuwe inzichten oplevert in hoe de structuur en functie van DNA afhankelijk zijn van de sequentie. Ook is de techniek te gebruiken om snel de beste sequentie te vinden voor toepassingen, zoals nanotechnologie en gepersonaliseerde geneeskunde”, aldus promovenda Carolien Bastiaanssen.
SPARXS bestaat uit een combinatie van twee bestaande technologieën die nooit eerder aan elkaar gekoppeld waren: single-molecule fluorescentie en next-generation Illumina sequencing.
Bij de eerste techniek worden moleculen gelabeld met een fluorescerende kleurstof en gevisualiseerd met een gevoelige microscoop. De tweede techniek leest miljoenen DNA-codes tegelijk uit.
Mede-onderzoeker Ivo Severins: “Omdat deze experimenten met sequencing op het niveau van één molecuul helemaal nieuw zijn, hadden we geen idee welke resultaten we zouden behalen. Het vergde veel zoekwerk binnen de data om correlaties en patronen te vinden en om de mechanismen te bepalen die ten grondslag liggen aan de patronen die we zien.”
Een andere uitdaging was het verwerken van de grote hoeveelheid data. Van Noort: “We moesten een geautomatiseerde en robuuste pijplijn voor de analyse ontwikkelen. Dit was vooral een uitdaging omdat afzonderlijke moleculen kwetsbaar zijn en slechts een kleine hoeveelheid licht afgeven, waardoor de gegevens inherent ruis hebben."
"Ook geven de resulterende data niet direct inzicht in hoe de sequentie de structuur en het gedrag van DNA beïnvloedt. Om ons begrip te testen, hebben we een model opgezet waarin onze kennis van de DNA-structuur is verwerkt en dat vergeleken met experimentele data.”
Een nauwkeurigere manipulatie en begrip van DNA-sequenties kan leiden tot vooruitgang in medische behandelingen, zoals effectievere gentherapie en gepersonaliseerde geneeskunde, biotechnologische innovaties en een beter begrip van biologie op moleculair niveau.
Joo: “We verwachten dat toepassingen in de komende vijf tot tien jaar duidelijk worden.”
