Nucleotide: de bouwsteen achter DNA, mRNA-vaccins en gen-technologie
Een nucleotide is het kleinste bouwsteentje waaruit DNA en RNA zijn opgebouwd, de moleculen die alle erfelijke informatie van levende wezens dragen. Stel je een lange ketting van kralen voor: elke kraal is een nucleotide, en de volgorde waarin de kralen aan elkaar geregen zitten vormt een soort code. Bij DNA bestaat die code uit vier soorten "kralen", aangeduid met de letters A, T, C en G. De precieze volgorde van miljarden van die letters achter elkaar bepaalt hoe een cel, een plant of een mens eruitziet en functioneert.
Nucleotiden zijn niet alleen relevant voor de biologie in het lab; ze staan ook aan de basis van een aantal technologieën die de afgelopen jaren een vlucht hebben genomen. mRNA-vaccins tegen covid-19 zijn gebouwd met chemisch aangepaste nucleotiden. Onderzoekers experimenteren met DNA als opslagmedium voor digitale bestanden. En gentechnieken zoals CRISPR grijpen direct in op specifieke nucleotidevolgordes in het DNA van cellen. Wie begrijpt wat een nucleotide is, begrijpt daarmee ook een groot deel van de motor achter de moderne biotechnologie.
Wat is het precies?
Een nucleotide bestaat uit drie onderdelen die scheikundig aan elkaar vastzitten: een suikermolecuul, een fosfaatgroep en een stikstofbase. De suiker is bij DNA een molecuul dat "deoxyribose" heet, en bij RNA een nauw verwante suiker genaamd "ribose" — dat verschil van één zuurstofatoom verklaart meteen waarom DNA en RNA net iets andere eigenschappen hebben. De stikstofbase is het deel dat de eigenlijke "letter" van de code vormt: bij DNA zijn dat adenine (A), thymine (T), cytosine (C) en guanine (G); bij RNA wordt thymine vervangen door de vrijwel identieke base uracil (U).
Losse nucleotiden worden achter elkaar aan elkaar geregen tot een lange streng, waarbij de suiker- en fosfaatgroepen steeds de ruggengraat vormen en de stikstofbasen als een soort zijtakken naar buiten steken. Bij DNA vormen twee van die strengen samen de bekende dubbele helix, doordat de basen elkaar precies aanvullen: A koppelt altijd aan T, en C altijd aan G. Dat principe heet complementaire baseparing en is de reden dat een cel DNA feilloos kan kopiëren voordat ze zich deelt.
Om nucleotiden buiten een levend organisme te gebruiken, moeten wetenschappers ze kunnen maken (synthetiseren) en kunnen uitlezen (sequencen). Het chemisch synthetiseren van korte DNA-strengen gebeurt sinds de jaren tachtig meestal met een methode die "phosphoramidiet-chemie" heet, ontwikkeld door onder anderen scheikundige Marvin Caruthers. Daarbij wordt één nucleotide per keer aan een groeiende keten vastgeplakt. Het probleem is dat bij elke stap een klein foutpercentage optreedt, waardoor deze methode in de praktijk beperkt blijft tot fragmenten van ruwweg een paar honderd baseparen lang; langere strengen bevatten te vaak fouten om bruikbaar te zijn. Sequencing, het omgekeerde proces waarbij een bestaande DNA- of RNA-streng letter voor letter wordt afgelezen, is de afgelopen twintig jaar juist enorm versneld en goedkoper geworden dankzij nieuwe meettechnieken.
Wat wil men ermee bereiken?
Het manipuleren van nucleotiden opent een aantal deuren die voorheen gesloten waren. In de geneeskunde maakt het mogelijk om ziektes te herleiden tot specifieke foutjes in de nucleotidevolgorde van iemands DNA, en om vervolgens gericht in te grijpen. Gen-editing technieken zoals CRISPR-Cas9 werken bijvoorbeeld met een stukje gids-RNA dat een exacte nucleotidevolgorde in het DNA herkent, waarna een eiwit op precies die plek het DNA doorknipt om een fout te herstellen of een gen uit te schakelen.
Een tweede doel is het maken van medicijnen en vaccins op basis van synthetisch mRNA: een tijdelijke boodschapper-RNA-streng die een cel de instructie geeft om zelf een bepaald eiwit te produceren. Omdat de nucleotidevolgorde van zo'n mRNA-streng relatief snel is aan te passen aan een nieuwe ziekteverwekker of zelfs aan een individuele patiënt, zien onderzoekers hierin een basis voor snellere en meer op maat gemaakte behandelingen.
Een derde, heel ander doel is dataopslag. Digitale bestanden bestaan uit nullen en enen; die kunnen in theorie worden omgezet naar reeksen van de vier DNA-letters A, T, C en G en vastgelegd in synthetisch DNA. DNA is extreem compact — in theorie past de inhoud van complete datacenters in een paar gram materiaal — en blijft bij droge, koele opslag mogelijk duizenden jaren leesbaar, wat het aantrekkelijk maakt als archiefmedium voor data die zelden geraadpleegd hoeft te worden.
Voorbeelden uit de praktijk
Het meest tastbare voorbeeld van nucleotidetechnologie in het dagelijks leven zijn de mRNA-vaccins tegen covid-19. Onderzoekers Katalin Karikó en Drew Weissman ontdekten al rond 2005 dat het vervangen van het gewone nucleotide uridine door een chemisch aangepaste variant, N1-methylpseudouridine, de heftige ontstekingsreactie onderdrukt die het lichaam normaal tegen synthetisch mRNA opwekt. Die vondst bleek essentieel voor de vaccins Comirnaty van Pfizer/BioNTech en Spikevax van Moderna, die vanaf eind 2020 wereldwijd werden toegediend. Voor dit werk ontvingen Karikó en Weissman in 2023 de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde.
Op het gebied van dataopslag experimenteren Microsoft Research en de University of Washington al jaren met DNA als opslagmedium, met kleine proof-of-concept-demonstraties waarbij foto's en andere bestanden werden gecodeerd in en weer teruggelezen uit synthetisch DNA. Het Amerikaanse bedrijf Twist Bioscience, opgericht in 2013 in San Francisco, produceert met een op computerchips geïnspireerde technologie synthetische DNA-fragmenten voor onderzoek en biotech, en werkt in samenwerkingsverbanden ook mee aan dataopslagexperimenten. Het Bostonse bedrijf Catalog Technologies richt zich specifiek op DNA als opslag- en rekenmedium en demonstreerde onder meer het coderen van omvangrijke tekstbestanden in DNA-strengen.
Aan de uitleeskant heeft het Britse Oxford Nanopore Technologies met draagbare apparatuur zoals de MinION een andere aanpak op de markt gebracht: in plaats van chemische reacties leest dit apparaat een DNA- of RNA-streng direct af terwijl die door een microscopisch klein poortje (een nanopore) wordt getrokken, waarbij veranderingen in elektrische stroom per nucleotide worden gemeten.
Hoe ver is de techniek?
Het uitlezen van nucleotidevolgordes is inmiddels een volwassen en relatief goedkope technologie. Ter vergelijking: het Human Genome Project bracht tussen 1990 en 2003 voor het eerst een compleet menselijk genoom van ongeveer drie miljard baseparen in kaart, een klus die vele jaren en een aanzienlijk budget kostte. Met de huidige sequencing-technieken van bedrijven als Illumina en Oxford Nanopore is eenzelfde genoom in een fractie van die tijd en tegen een klein deel van de kosten te ontrafelen.
Het schrijven, ofwel synthetiseren, van lange en foutvrije DNA-strengen blijft echter een bottleneck. De gangbare chemische methode is traag, relatief duur per nucleotide en foutgevoelig bij langere fragmenten. Daarom investeren bedrijven zoals DNA Script en Ansa Biotechnologies in enzymatische synthesemethoden, die gebruikmaken van biologische enzymen in plaats van klassieke scheikunde, met de belofte van hogere snelheid en minder fouten — al is deze aanpak nog volop in ontwikkeling en nog niet overal een volwaardig alternatief.
DNA-dataopslag is op dit moment nog echt labwerk: de snelheid waarmee data kan worden weggeschreven naar en teruggelezen uit DNA is vele ordes van grootte lager dan bij een gewone harde schijf, en de kosten per opgeslagen byte zijn nog hoog. Of DNA ooit een mainstream opslagmedium wordt naast bestaande technieken, of vooral een niche blijft voor zeer langdurige archivering van data die weinig geraadpleegd hoeft te worden, is op dit moment onzeker. mRNA-technologie heeft daarentegen dankzij de coronapandemie in korte tijd een enorme ontwikkelingssprong gemaakt en wordt inmiddels ook onderzocht voor andere ziektes, van griep tot bepaalde vormen van kanker, al staat het merendeel van die toepassingen nog in de onderzoeks- of vroege testfase.
Wie werken eraan?
Op het gebied van DNA- en RNA-synthese en -sequencing zijn Twist Bioscience, Illumina en Oxford Nanopore Technologies belangrijke commerciële spelers, terwijl DNA Script en Ansa Biotechnologies zich toeleggen op nieuwe, enzymatische synthesemethoden. Microsoft Research werkt samen met de University of Washington aan fundamenteel onderzoek naar DNA als opslagmedium, en het gespecialiseerde bedrijf Catalog Technologies richt zich volledig op DNA-gebaseerde opslag- en rekentechnologie. Op het vlak van mRNA-geneesmiddelen en -vaccins zijn BioNTech (Duitsland) en Moderna (Verenigde Staten) de bekendste namen, voortbouwend op het fundamentele werk van onderzoekers als Karikó en Weissman.
Op wetenschappelijk-infrastructureel vlak speelt het European Bioinformatics Institute (EBI), onderdeel van het European Molecular Biology Laboratory (EMBL) en gevestigd in Hinxton in het Verenigd Koninkrijk, een centrale rol: het beheert onder meer het European Nucleotide Archive, een van de grootste publieke databanken met nucleotidevolgordes ter wereld. Geografisch gezien lopen de Verenigde Staten voorop in zowel onderzoek als commerciële toepassing van deze technologieën, met groeiende investeringen en onderzoeksprogramma's in China en, via onder meer de Horizon-programma's, ook binnen de Europese Unie.