[PWC-MEDIA] Persbericht TU Delft: Onderzoekers zien razendsnel jagend CRISPR-systeem in actie

  • From: Jerwin de Graaf <J.N.deGraaf@xxxxxxxxxx>
  • To: "pwc-media@xxxxxxxxxxxxx" <pwc-media@xxxxxxxxxxxxx>
  • Date: Fri, 15 Nov 2019 10:36:57 +0000

Onderzoekers zien razendsnel jagend CRISPR-systeem in actie

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 Delft en Wageningen University & Research hebben één 
zo'n systeem, het zogeheten 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 één 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", aldus TU Delft-onderzoeker Jochem Vink, die het 
onderzoek leidde. "Het Cascade-complex zoekt naar een stukje van pak 'm beet 30 
baseparen"

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", zegt 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 
honderd Cascade-complexen een bacterie een goede kans geven om te overleven.

Harde werkers
Maar hoe kunnen slechts honderd Cascade-complexen zo'n enorme massa DNA 
controleren? Het antwoord ligt voor de hand: het zijn harde werkers. De Delftse 
onderzoekers konden met een snelle laserpuls honderd 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", legt Brouns 
uit.

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."

***
Meer informatie:

Jochem N.A. Vink, Koen J.A. Martens, Marnix Vlot, Rebecca E. McKenzie, 
Cristóbal Almendros, Boris Estrada Bonilla, Daan J.W. Brocken, Johannes 
Hohlbein, Stan J.J. Brouns, 'Direct Visualization of Native CRISPR Target 
Search in Live Bacteria Reveals Cascade DNA Surveillance Mechanism', Molecular 
Cell
DOI: https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.10.021
Contact:

Jochem Vink
J.N.A.Vink@xxxxxxxxxx<mailto:J.N.A.Vink@xxxxxxxxxx>
06 - 43 10 48 29

Jerwin de Graaf (persvoorlichter TU Delft)
J.N.deGraaf@xxxxxxxxxx<mailto:J.N.deGraaf@xxxxxxxxxx>
06 - 42 71 72 27

Lees ook:

Sleutelen aan het 
leven<https://www.tudelft.nl/tnw/onderzoek/in-de-spotlight/sleutelen-aan-het-leven/>
 - over de aanstaande revolutie die CRISPR-Cas9 heet en het onderzoek van de 
groep van Stan Brouns.

Attachment: BacteriofaagKLEIN.jpg
Description: BacteriofaagKLEIN.jpg

Other related posts:

  • » [PWC-MEDIA] Persbericht TU Delft: Onderzoekers zien razendsnel jagend CRISPR-systeem in actie - Jerwin de Graaf