Blogger: Floor Vervuren

Wat een domper. Ze waren helemaal verschrompeld en gerimpeld, en omringd door een muffe geur van bederf. De sappige perziken die ik had uitgezocht op de markt waren binnen een paar dagen veranderd in harige varianten. De frisse, knapperige appels zaten opeens vol met bruine plekjes. De druiven, eens zo aantrekkelijk, hadden nu witte schimmelplekken. In die paar dagen hadden bacteriën en schimmels het fruit in mijn fruitschaal volledig overgenomen.

Gelukkig zijn zulke micro-organismen niet alleen maar vervelend, ze kunnen ook heel nuttig zijn. In de biotechnologie, en in ons project, herprogrammeren we deze kleine minions zodat ze precies doen wat wij willen. De mogelijkheden zijn oneindig, maar wij bedraden de bacteriën zo, dat ze microscheurtjes in mergelstenen opvullen.

Calciumkristallen

Ons project maakt gebruik van een tweedelig systeem. Allereerst gebruiken we een E. colibacterie die we genetisch hebben aangepast, zodat ze calciumkristallen produceert. Zoals ik in de eerste blog uitlegde, bestaat mergel voornamelijk uit calciumcarbonaat. Dat proberen we na te maken, zodat onze mergel zo goed mogelijk overeenkomt met de mergel die miljoenen jaren geleden is ontstaan. Omdat we microscheurtjes in mergel willen opvullen, is het natuurlijk wel belangrijk dat de calciumkristallen niet ophopen binnenin de E. colibacterie. Daarom programmeren wij de bacterie zo dat ze de calciumkristallen juist aan de buitenkant van haar omhulsel produceert.

Hoe hebben we dat voor elkaar gekregen? Door genetische aanpassingen in de bacterie bevindt het enzym carboanhydrase zich niet binnenin de cel, maar steekt het naar buiten op het omhulsel van de bacterie. Dit enzym versnelt de reactie waarbij calciumcarbonaat wordt geproduceerd. Voor de reactie gebruikt de bacterie koolstofdioxide (CO₂) uit de lucht en calciumionen (Ca²⁺) uit een bijgevoegd voedingsmedium. Zo kunnen ze ongeremd calciumkristallen vormen.

Een achtvlak als mal

Is dat alles? Nee, er komt nog meer. We gaan het calciumcarbonaat niet zomaar op de mergel plakken. Voor stabiliteit komt er een raster waar de mergel aan bindt. Hiervoor gebruiken we een tweede genetisch aangepaste E. colibacterie. Dit exemplaar maakt grote hoeveelheden DNA, maar dan niet de dubbele helix die je misschien kent, maar DNA dat bestaat uit een enkele streng. Dat is te vergelijken met een heel lange sliert spaghetti.

Dwarsverbindingen vouwen de lange spaghettisliert op tot complexe nanostructuren om een DNA-origami raster te vormen. Met onze aanpak krijgt het DNA-raster de vorm van een octaëder, een achtvlak, omdat dit een van de stabielste vormen is waarin wij de benodigde ‘sticky ends’ kunnen verwerken. Deze uiteinden bestaan ook uit stukjes enkelstrengs DNA en werken als uitgestrekte armen waarmee twee octaëders elkaar vastgrijpen. Hierdoor ontstaat een netwerk van DNA-origami.

Aantrekkingskracht

In de eerste blog vergeleek ik de twee modules met een spinnenweb (DNA-netwerk) waar de dauwdruppels (calciumkristallen) aan vast blijven plakken. Het feit dat de twee aan elkaar blijven plakken, heeft te maken met lading. DNA heeft van nature een negatieve lading. Het DNA in de cellen van mensen, maar ook het origami-DNA dat wij maken. De calciumkristallen hebben daarentegen een positieve lading. Net als bij twee magneten, trekken de negatieve lading van het DNA en de positieve lading van de calciumkristallen elkaar aan. Zo ‘plakt’ het calcium aan de mal waardoor de microscheurtjes in de mergel worden opgevuld en verstevigd.

Al met al heeft dit project veel voeten in de aarde, maar we hebben er vertrouwen in dat we samen met het hele team mooie resultaten gaan neerzetten. En mocht je nog steeds denken ‘Iets maken in een lab waar de natuur miljoenen jaren over heeft gedaan; dat klinkt allemaal heel onwerkelijk’? Dan heet ik je hierbij welkom in de wondere wereld van synthetische biologie!