DNA-origami: vouwen op zijn kleinst

Een riool in München. Een poepetende bacterie die daar huist. Een virus dat dan weer die bacterie plaagt. Veel nederiger vind je het niet in de natuur. Maar M13mp18, zoals dat virus heet, is het levende bewijs dat je de hoop op een mooie carrière nooit moet opgeven.

Dankzij een Duitse bioloog die in 1963 water uit dat riool monsterde, een Amerikaanse onderzoeker die in 2004 een ingeving kreeg en de onstilbare honger van de industrie naar praktisch bruikbare nanotechnologie, is M13mp18 nu in laboratoria overal ter wereld een graag geziene gast. Als bouwmateriaal.

Met het DNA van het virus, de lange sliert moleculen die een besmette bacterie vertellen hoe hij meer virussen moet voortbrengen, blijk je driehoekjes en vierkantjes te kunnen maken, sterren en smileys van een tienduizendste millimeter klein, complete reproducties van schilderijen, en handige medicijndoosjes voor in je bloedbaan.

DNA-origami, heet die bouwwijze, en Paul Rothemund, onderzoeker aan het California Institute of Technology, vond hem uit.

Knutselen

Op dat moment, in 2004, was Rothemund al jaren met DNA aan het knutselen. Niet als bioloog, niet om processen in levende wezens te begrijpen of te veranderen, maar omdat DNA als materiaal ook voor allerlei andere dingen bruikbaar leek. De evolutie heeft immers met die dubbele spiraal van vier moleculen (met chemische namen die steevast afgekort worden tot A, C, G en T) een systeem gevonden dat informatie kan vastleggen in structuur, en structuur kan maken op basis van informatie.

Misschien, was de gedachte, kunnen mensen zelf informatie in DNA stoppen, in een reageerbuis de biochemie zijn werk laten doen en uit het chemische resultaat een antwoord aflezen: een biocomputer. Of je zou die moleculen, die paarsgewijs graag met elkaar in contact staan (G met C, A met T), zo moeten zien te dresseren dat ze zich aaneensluiten tot kleine blokjes. Die je dan misschien weer als legosteentjes aan elkaar kunt koppelen om daar dan ook weer iets als een computer mee te bouwen.

"Uit die traditie kom ik", zei Rothemund onlangs in Boston, waar hij een overzicht van zijn werk presenteerde op de jaarvergadering van de Amerikaanse wetenschappersvereniging AAAS. "Maar ruim tien jaar geleden begonnen we onze aandacht te verleggen naar het bouwen van allerlei kleine objecten. De computertechniek wil steeds kleinere, snellere chips, en om daarbij aan te sluiten wilden we nadoen wat de biologie zo goed kan: kleine dingen bouwen. Die objecten zou je dan hopelijk ook in de biologie kunnen toepassen, voor diagnose, voor therapie."

Maar zelfs het maken van een simpele kubus was in die tijd nog een moeizame onderneming. Honderden verschillende korte stukjes DNA, allemaal met een andere volgorde van A, C, G en T, moesten precies in de goede hoeveelheden gemengd worden, zodat de liefde van A voor T, en van C voor G, tot precies de goede vorm zou leiden. "Het was alsof je een cake aan het bakken was, en één ei te weinig het helemaal kon laten mislukken."

In 2004 had Rothemund een gesprekje met een student dat hem opeens op het goede spoor bracht. "Hij vroeg me: kun je nu ook vormen maken met DNA die helemaal onregelmatig zijn, los van wat je er mee zou willen in computers of zo? Toen kreeg ik het idee voor DNA-origami: neem één lange streng, en laat die vouwen en in vorm houden door allerlei korte DNA-stukjes."

In feite was dat het moment dat het virus M13mp18 doorbrak naar de eredivisie van onmisbare beestjes voor de wetenschap. Want dat virus heeft, in tegenstelling tot verreweg de meeste andere levensvormen, zijn DNA niet opgeslagen als dubbele spiraal, maar als één enkele, rondlopende streng. Precies het hoofdingrediënt van Rothemunds idee.

Bij DNA-origami maak je handig gebruik van het feit dat je precies weet wat de volgorde is van de ruim zevenduizend chemische letters in de streng. Het is alsof je gaat knutselen met een lange strook papier waarop een overbekende tekst uitgeschreven staat. Als die tekst bijvoorbeeld Hendrik Marsmans gedicht 'Herinnering aan Holland' is, kun je daar Marsman-origami mee bedrijven. Wil je dat die strook een rechte hoek gaat maken bij het woord 'brede' in 'Denkend aan Holland, zie ik brede rivieren, traag door oneindig laagland gaan', dan maak je een plakkertje aan dat alleen wil vastkleven aan de woordenreeks 'ik rivieren'.

Die reeks staat niet in de tekst, dus als de strook gestrekt ligt, dan past dat plakkertje nergens. Maar als de strook op zeker moment toevallig even een hoek maakt bij 'brede', kan het plakkertje de bocht afsnijden en lukt het wel.

En de hoek is gefixeerd.

Nietjes

Bij DNA-origami worden er heel veel hoeken op die manier voorgeschreven, en ontwerpt een computerprogramma daar 'nietjes' van DNA bij. Dat programma houdt ook rekening met de complicaties die het werken met DNA met zich meebrengt. "Als de korte stukken zich met het lange stuk binden, ontstaat op die plaatsen weer de typische dubbele DNA-spiraal", legt Rothemund uit. "Dus je moet de plek van de hoek goed kiezen, anders maakt hij een rare kronkel."

Maar al die complicaties vallen in het niet bij de vereenvoudiging die de laatste stap oplevert: "Je doet massa's van de korte stukjes in een vloeistof met wat exemplaren van het virus-DNA. De lange streng bepaalt alles, en de korte stukjes DNA kun je dus toevoegen in bijna willekeurige verhoudingen. Zo lang het er maar genoeg zijn, komt het vanzelf goed. Je krijgt de vorm die je wilt, en nietjes die overblijven, spoel je weg."

Wat is er in de ruim tien jaar sinds Rothemund zijn uitvinding deed, en zijn collega's verbaasde met de eerste smileys, allemaal met de techniek gedaan? En wordt die nu ook al echt praktisch gebruikt?

Dat laatste zeker, al is het op de simpelst mogelijke manier. "Er is een bedrijf dat met DNA-origami kleine liniaaltjes maakt. Die kun je gebruiken als je iets met een sterke microscoop bekijkt, om te kunnen zien op welke schaal je bezig bent."

Dat is nog tamelijk simpel, geeft hij toe. Ambitieuzere toepassingen zijn nog in het experimentele stadium.

Waar Rothemund erg enthousiast over is, zijn de pogingen om met DNA-origami heel kleine meetinstrumenten te maken, klein genoeg om van dichtbij biologische processen waar te nemen. Dat gaat volgens hem een revolutie in die wetenschap teweegbrengen.

"In de natuurkunde kun je, als je een vraag wilt beantwoorden, naar je laboratorium gaan en een experiment opzetten dat precies die vraag beantwoordt. Biologen kunnen dat meestal niet; die moeten wel tien experimenten doen en dan als een soort Sherlock Holmes uit de uitkomsten daarvan proberen af te leiden hoe het zit.

"Met DNA-origami kan het veel directer. Als je bijvoorbeeld wilt weten hoe stevig twee eiwitten aan elkaar vastzitten, dan kun je een apparaatje maken, een soort schuifmaat, waarmee je ze precies daar vasthoudt waar je wilt, en dan hun onderlinge aantrekking meten. Het maakt dat het vak veel meer op natuurkunde gaat lijken. Jullie in Nederland hebben het Museum Boerhaave, dat staat vol met meetinstrumenten van natuurkundigen. De hoop is dat je dat soort instrumenten ook op moleculaire schaal krijgt."

Doosjes

Ook de geneeskunde kan een omwenteling tegemoet zien, dankzij kleine doosjes die gemaakt zijn met DNA-origami. "Zo'n doosje lijkt op een piepschuimdoos voor voedsel, maar aan de rand zitten er slotjes op. Elk slotje is gevoelig voor een ander eiwit. De doos gaat alleen open - en laat dan bijvoorbeeld een medicijn los - als er een cel in de buurt is die alle goede eiwitten op zijn buitenkant heeft. Dat kan bijvoorbeeld een kankercel zijn. In een petrischaaltje werkt dat al heel goed. In een levend proefdier of een mens nog niet, want dat soort doosjes wordt heel gauw uit de bloedbaan gefilterd, het zit binnen een half uur in je urine. Maar daar wordt aan gewerkt."

Elf jaar na de ontdekking is DNA-origami dus vooral nog veelbelovend. Valt dat Rothemund stiekem tegen?

Lachend zegt Rothemund: "Dat is totaal niet verrassend. Er zijn heel wat mensen met DNA-origami aan de gang. Er hebben denk ik wel honderd tot honderdvijftig laboratoria in de wereld op enig moment aan gewerkt. Maar de dingen die mensen proberen te doen, zijn niet gemakkelijk. Ze komen om allerlei redenen toch vast te zitten. Ik ben net 45 geworden, ik werk al met DNA sinds 1992, dat is 25 jaar. Ik ben misschien al met pensioen wanneer er eindelijk een hit komt die bredere erkenning krijgt. Wetenschap gaat nu eenmaal langzaam."

"Waar ik nu aan werk, is daarom vooral het vinden van methoden die het makkelijker moeten maken voor al die andere onderzoekers. Ik probeer de problemen die zij tegenkomen te verhelpen, zodat hun onderzoek sneller gaat. En ik die doorbraak nog meemaak voor ik dood ben."

undefined

Sterrennacht in DNA

Komend van eenvoudige driehoekjes en smileys, is Rothemund met zijn DNA-origami inmiddels beland op het terrein van de echte kunst: Vincent van Goghs 'Sterrennacht' gloeide vorig jaar, in rood, op de omslag van vakblad Nature.

Maar als je die afbeelding, die maar een paar millimeter groot is, onder een microscoop bekijkt, kom je toch weer driehoekjes tegen. Het project is een demonstratie van het potentieel van DNA-origami in chips die met licht werken in plaats van met elektriciteit.

In Rothemunds versie bestaat het schilderij uit ruim 65.000 beeldpunten. Het zijn holtes, geëtst in een siliciumchip, die precies de goede grootte hebben om de golven van rood licht te vangen en te versterken. Dat rode licht komt van een fluorescerende stof die in het beeldpunt (een photonic resonating cavity)aangebracht wordt.

In Rothemunds Sterrennacht lift die stof mee op de met DNA-origami gemaakte driehoekjes. Tijdens het maken van de chip zijn posities binnen de beeldpunten met een dunne elektronenbundel beschoten, waardoor het oppervlak chemisch zo veranderd is dat DNA er gemakkelijk aan blijft kleven. Zo kan voor elk beeldpunt geregeld worden hoeveel DNA-driehoekjes met lichtbron er in komen te zitten, en dus hoe helder het beeldpunt wordt.

Door er een schilderij mee te componeren, toonden Rothemund en zijn medewerkers aan dat dit computergestuurd, op grote schaal, kan plaatsvinden.

"We proberen niet de kunstenaar uit te hangen", zegt Rothemund bescheiden. "Het ging ons erom, te laten zien dat je DNA-origami heel precies kunt positioneren. We hebben ook een ander artikel geschreven, waarin we laten zien dat je de precieze stand van de driehoekjes kunt bepalen. Dat lijkt misschien niet hoog gegrepen, maar dat is wat we aan het doen zijn. Stap voor stap."

undefined