Strand-displacement-reactie: hoe DNA zichzelf herprogrammeert
Een strand-displacement-reactie is een chemisch trucje waarbij een los stukje DNA een ander stukje DNA uit een bestaand DNA-paartje "verdringt" en zijn plaats inneemt. DNA bestaat normaal uit twee strengen die als een ritssluiting aan elkaar vastzitten via basenparen: A past bij T, C past bij G. Bij een strand-displacement-reactie komt er een derde, los rondzwevend DNA-stukje langs dat nóg beter bij een van de twee strengen past. Dat losse stukje "ritst" zich geleidelijk in de plaats van de oude partner, die daardoor loskomt en wegdrijft.
Een handige analogie: stel je twee mensen voor die elkaars hand vasthouden, vinger voor vinger. Er komt een derde persoon bij die eerst één vrije vinger vastpakt (dit heet de "toehold", een klein los uiteinde) en vervolgens, vinger voor vinger, de grip overneemt totdat de oorspronkelijke persoon volledig loslaat en wegloopt. Niemand hoeft dit proces actief aan te sturen: het gebeurt vanzelf, gedreven door de chemische voorkeur van DNA om zoveel mogelijk stevige basenparen te vormen. Doordat onderzoekers de DNA-sequenties zelf kunnen ontwerpen, kunnen ze dit proces heel precies programmeren, en dat maakt strand displacement tot een van de belangrijkste bouwstenen van de DNA-nanotechnologie.
Wat is het precies?
DNA is opgebouwd uit vier soorten bouwstenen, de basen A, C, G en T, die als lettersequentie een streng vormen. Twee strengen binden alleen stevig aan elkaar als hun basenvolgorde complementair is: overal waar de ene streng een A heeft, moet de andere een T hebben, en C past alleen bij G. Hoe langer zo'n complementair stuk is, hoe steviger de twee strengen aan elkaar vastzitten.
Bij toehold-mediated strand displacement, de meest gebruikte variant, bestaat het uitgangspunt uit een dubbele DNA-streng met daaraan een klein los, enkelstrengs stukje: de toehold. Een binnenkomende DNA-streng, die complementair is aan zowel de toehold als de rest van de dubbele streng, bindt eerst aan dat losse stukje. Vanaf dat ankerpunt begint een proces dat branch migration heet: basenparen aan het grensvlak breken steeds opnieuw en vormen zich opnieuw, waardoor de "vertakking" tussen oude en nieuwe streng stap voor stap opschuift, als een ritssluiting die zichzelf omdraait. Uiteindelijk is de binnenkomende streng volledig gebonden en laat de oorspronkelijke streng helemaal los.
Het proces heeft geen enzym of externe energiebron nodig: het wordt aangedreven door entropie en door het feit dat de nieuwe combinatie iets meer basenparen (en dus een lagere energietoestand) oplevert dan de oude. Doordat de reactie afhangt van exact ontworpen sequenties, kunnen onderzoekers met software zulke DNA-strengen zo ontwerpen dat reeks A pas op gang komt als streng B er al is, en dat weer een derde streng C vrijmaakt. Zo ontstaan cascades van reacties: DNA-schakelingen die logische bewerkingen uitvoeren zonder ook maar één stukje elektronica.
Er bestaat ook een oudere, enzymatische variant, simpelweg strand displacement amplification (SDA) genoemd, waarbij een polymerase-enzym een streng kopieert en tegelijk de oude streng wegduwt. Dat mechanisme wordt al sinds de jaren negentig gebruikt om DNA snel te vermenigvuldigen voor diagnostische tests, los van de latere, enzymvrije technieken uit de DNA-nanotechnologie.
Wat wil men ermee bereiken?
Het achterliggende doel is een vorm van "moleculaire elektronica": rekenen, schakelen en signalen versterken met moleculen in plaats van transistors. Omdat DNA-sequenties volledig programmeerbaar zijn, kun je in theorie elk gewenst logisch circuit nabouwen — AND-, OR- en NOT-poorten, geheugen, versterkers — maar dan opgebouwd uit reageerbuisjes met DNA in plaats van siliciumchips.
Dat is niet alleen een wetenschappelijke curiositeit. Zulke moleculaire circuits kunnen rechtstreeks reageren op andere biomoleculen, zoals RNA van een virus, een eiwit dat bij ziekte vrijkomt, of een stofwisselingsproduct. Daarmee ontstaat de mogelijkheid om diagnostische tests te bouwen die zonder dure apparatuur een ziekteverwekker detecteren en versterken, of om "slimme" moleculen te maken die pas een medicijn vrijgeven wanneer ze de juiste combinatie van signalen tegenkomen in het lichaam. Ook in de moleculaire robotica wordt strand displacement gebruikt om nanostructuren van vorm te laten veranderen, bijvoorbeeld om iets vast te grijpen of los te laten, vergelijkbaar met de spieren van een minuscuul mechanisch systeem.
Een breder doel binnen het veld is aantonen dat scheikunde zelf kan "rekenen": dat je informatieverwerking kunt loskoppelen van elektronica en volledig kunt baseren op moleculaire herkenning. Dat is fundamenteel onderzoek, maar het opent wel de deur naar toepassingen die met gewone chips niet mogelijk zijn, zoals sensoren die letterlijk binnen in een cel of bloedvat kunnen werken.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de eerste spraakmakende demonstraties waren DNA-pincetjes, gepresenteerd door Bernard Yurke en collega's in 2000 (Nature): een kleine DNA-structuur die door toevoeging van een sturende DNA-streng kon openen en sluiten, als een moleculair mechanisch grijpertje.
Al in 1992 beschreven onderzoekers rond Walker de enzymatische variant strand displacement amplification (PNAS), een isotherme methode om DNA snel te vermenigvuldigen zonder de temperatuurwisselingen die een gewone PCR-test nodig heeft. Dit principe werd later commercieel toegepast in het BD ProbeTec-systeem van Becton Dickinson, jarenlang gebruikt voor de opsporing van soa's als chlamydia en gonorroe.
In 2006 lieten Georg Seelig, David Soloveichik, David Zhang en Erik Winfree (Science) de eerste volledig enzymvrije DNA-logic gates zien: AND-, OR- en NOT-schakelingen die puur op basis van strand displacement werkten, zonder eiwitten.
Een van de meest indrukwekkende demonstraties kwam in 2011, toen Lulu Qian en Erik Winfree (Science) een DNA-circuit bouwden dat met tientallen samenwerkende DNA-"poorten" vierkantswortels van getallen kon berekenen. In datzelfde jaar publiceerden Qian, Winfree en Jehoshua Bruck (Nature) een DNA-gebaseerd "neuraal netwerk" van ongeveer honderd DNA-strengen dat eenvoudige patroonherkenningstaken kon uitvoeren, vergelijkbaar met een speelse versie van het spel twintig vragen.
Hoe ver is de techniek?
De basisprincipes van strand displacement zijn inmiddels stevig gevestigde, herhaaldelijk gevalideerde scheikunde: het werkt betrouwbaar in het laboratorium en de enzymatische variant wordt al decennia commercieel toegepast in diagnostiek. De enzymvrije, programmeerbare DNA-circuits van de Winfree-school zijn echter nog vrijwel volledig laboratoriumwerk: bewijzen dat het kán, meer dan kant-en-klare producten.
De belangrijkste obstakels zijn snelheid en schaal. DNA-circuits reageren doorgaans in minuten tot uren, terwijl elektronica in nanoseconden schakelt — voor sommige toepassingen is dat geen probleem, voor andere wel. Grotere circuits met veel DNA-strengen krijgen bovendien last van "lek" (leakage): strengen die elkaar per ongeluk toch een beetje verdringen zonder de juiste toehold, wat ruis en fouten oplevert naarmate het systeem complexer wordt. Ook de kosten van het synthetiseren van veel verschillende, exact ontworpen DNA-strengen lopen op bij grotere systemen.
Waar de techniek wél al praktisch nut heeft, is als versterkings- en detectiemechanisme in biosensoren en diagnostische tests, vaak in combinatie met andere moleculaire technieken. Volwaardige "DNA-computers" die complexe, algemene berekeningen uitvoeren blijven voorlopig demonstratieprojecten; de nadruk in het veld ligt inmiddels meer op gerichte toepassingen, zoals slimme sensoren, dan op DNA als vervanger van de computerchip.
Wie werken eraan?
Het California Institute of Technology (Caltech) geldt als een van de bakermatten van dit onderzoeksveld, met name via de groepen van Erik Winfree en Niles Pierce. De Pierce-groep ontwikkelde ook NUPACK, een veelgebruikt softwarepakket waarmee onderzoekers wereldwijd DNA- en RNA-sequenties ontwerpen en analyseren voor strand-displacement-toepassingen.
Aan Harvard is het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, met onderzoeker Peng Yin, een belangrijk centrum voor DNA-nanotechnologie en moleculaire robotica. Microsoft Research (onder meer de groep van Andrew Phillips in Cambridge, VK) heeft software zoals Visual DSD ontwikkeld waarmee DNA-strand-displacement-circuits digitaal ontworpen en gesimuleerd kunnen worden voordat ze in het lab gebouwd worden. Ook Arizona State University, met onderzoek naar DNA-origami en moleculaire structuren, speelt een rol in het bredere veld van de DNA-nanotechnologie.
In Nederland doen onder meer de Kavli Institute of Nanoscience aan de TU Delft en onderzoeksgroepen binnen de bionanotechnologie en synthetische biologie aan de TU Eindhoven en Wageningen University onderzoek dat raakt aan DNA-gebaseerde moleculaire schakelingen en biosensoren. Op de toepassingskant zijn diagnostiekbedrijven zoals Becton Dickinson (VS) al decennia actief met de enzymatische SDA-technologie in commerciële testkits. Financiering komt doorgaans van nationale wetenschapsfondsen zoals de Amerikaanse National Science Foundation en, in Europa, de European Research Council.