Het relatief jonge veld van DNA-origami en de daaruit voortgekomen RNA- en eiwitorigami is in de afgelopen tijd veranderd van slechts esthetisch tot een labtechnologische tool. ‘Maar blijft het lab-spielerei of wordt het ook klinisch toepasbaar?’

‘In een café in Leiden in de jaren tachtig zag postdoc Ned Seeman uit de groep van Jacques van Boom een plaat van de tekenaar Escher hangen, de vliegende vissen die een rooster vormen. Dat zette hem aan het denken: wat nou als je zo’n rooster van DNA zou kunnen maken en er eiwitten in kan opsluiten?’ Cees Dekker, hoogleraar nanobiologie aan de Technische Universiteit (TU) Delft, verhaalt over de oorsprong van DNA-origami.

‘Na zijn cafébezoek raakte hij gefascineerd en is hij gaan spelen met het bouwen van DNA-structuren, waarin hij lange tijd de enige in de wereld was’, vervolgt hij. ‘In 2006 kreeg deze DNA-nanotechnologie onder de term DNA-origami meer bekendheid en nam een groep van California Institute of Techno­logy een template van M13-fagen-DNA in gebruik (inmiddels de standaard template, red.). Dat zorgde ervoor dat dit veld een enorme groei doormaakte.’

‘We hebben complementaire DNA-origamimoleculen gemaakt die als Lego op elkaar passen’

Dekker kwam Seeman in de jaren negentig vaak tegen op nanotechnologieconferenties, maar zelf begon hij pas met DNA-origami rond 2010, om structuren te bouwen voor gebruik in zijn onderzoek. ‘Dat je met DNA nanostructuurtjes kunt bouwen vind ik fascinerend, omdat dat zo ver weg ligt van de originele functie als genetische informatiedrager. Seeman droomde er door die vissen in het rooster van om eiwitkristallen te maken, waarbij hij nanostructuren als een soort raamwerk van gestapelde DNA-kubussen gebruikt. In elk kubusje plaatste hij dan een eiwit voor kristallisatie, en dat is hem gelukt. In ons eigen lab doen we ongeveer hetzelfde, maar dan kijken we naar een enkel eiwit.’

Nietjes

In Nederland werkt ook de groep van Tom de Greef (universitair hoofddocent synthetische biologie aan de TU Eindhoven en hoogleraar biofysische chemie aan de Radboud Universiteit Nijmegen) aan DNA-origami. ‘Het idee erachter is niet heel moeilijk’, stelt De Greef. ‘Je neemt een groot stuk circulair DNA dat je met honderden kleine DNA-nietjes kunt vouwen. Omdat DNA complementair is, kun je de nietjes of staple strands zo coderen dat je heel precieze twee- en driedimensionale structuren krijgt.’

Omdat je zo nauwkeurig kunt bepalen hoe je DNA-strengen vouwt, kun je er alle kanten mee op. Dekker: ‘Voorheen maakten wij nanogaatjes in een siliciumnitride­membraan, waar we dan een DNA-streng doorheen lieten gaan, bijvoorbeeld om te sequencen. Maar met DNA-origami kunnen we die gaatjes veel meer controle geven.’ Dekker werkt veel samen met Henrik Dietz van de TU München, een van de wereldleiders op dit gebied. Hun werk aan de kernporiecomplexen uit je cel is daar een voorbeeld van. ‘Die bepalen welke eiwitten door het celmembraan mogen met intrinsically disordered proteins (IDP’s, red.)’, vervolgt Dekker. ‘Wij halen die laatsten uit de cel en plakken die in onze nanogaatjes met DNA-origami­ringen, zodat we die selectiviteit kunnen bestuderen.’

Orkestreren

Hieronder is te zien hoe de ringen werken. ‘Je vouwt het DNA op in de vorm van een stabiele ring en zorgt dan dat er stukjes enkelstrengs DNA naar binnen steken’, verklaart Dekker. ‘Vervolgens voeg je een hybridemolecuul toe met een IDP uit het kernporiecomplex (zogenaamde FG-Nups, waar F en G staan voor twee hydrofobe aminozuren, red.). Dat is gekoppeld met een complementair DNA-oligonucleotide, die zó codeert dat die op het uitsteeksel van de DNA-ring gaat zitten. Zo kun je het aantal oligonucleotides variëren en verschillende mutanten van de FG-Nups assembleren om de eigenschappen van de ring aan te passen. Het resultaat is een modelsysteem om de structuur en functionaliteit van het kernporiecomplex te testen.’

‘Wij gebruiken DNA-origami ook als biofysische tool, omdat je daarmee grote controle hebt over biologische componenten op de nanoschaal’, legt De Greef uit. Hij doet wel weer iets anders met de vouwtechniek. ‘In onze Nature Catalysis-publicatie van januari lieten we zien dat je eiwit-eiwitinteracties heel precies kunt orkestreren en bestuderen, iets wat zonder DNA-origamiplatform niet mogelijk zou zijn.’ De Greef en zijn groep maakten een platform waarop ze heel precies caspase-9-eiwitten konden plaatsen. Op die manier konden ze de invloed van de onderlinge caspase-afstand op de werking van het apoptosoom bepalen (zie het eerder verschenen nieuwsbericht).

De Greef werkt ook met antilichamen. ‘Er is ontdekt dat als je meerdere antilichamen op een enkel nanodeeltje plaatst, de antilichamen sterker aan receptoren op het celmembraan binden. Van DNA kunnen we nanocilinders maken waarop we zelf het aantal antilichamen kunnen bepalen. Zo kunnen we zien wat de invloed van de nanostructuur is en waarom het zo werkt. Samenvattend gebruiken we DNA-origami dus om de ruimtelijke organisatie in het lichaam te ontrafelen.’

Analytische schaal

Een ander Nederlands origamitalent is Wouter Engelen, eind 2018 cum laude gepromoveerd aan de TU Eindhoven en tegenwoordig postdoc aan de onderzoeksgroep van Dietz. Engelen: ‘Ons lab in München is gespecialiseerd in het maken van goed gedefinieerde, complexe DNA-origami-objecten. Sinds kort weten we door onze elektronenmicroscoop helemaal zeker hoe ze eruit zien en werken we toe naar objecten met een functie. Denk aan rotatiebewegingen of juist meer in de biomedische hoek.’

Zo ontwierpen Engelen en zijn collega’s een aantal jaar terug al complementaire DNA-origamimoleculen die als Lego op elkaar passen. ‘Daardoor hebben ze bijzondere eigenschappen’, vertelt Engelen. ‘Een bijvoorbeeld kon door verhitting van conformatie veranderen. Ook maakten we een ander die enorm was: wel enkele gigadaltons.’

‘Sinds kort weten we door onze elektronen­microscoop helemaal zeker hoe ze eruit zien’

Toepassingen zijn nog wel ver weg, maar er gloort hoop aan de horizon, blikt Engelen vooruit. ‘Tot kort geleden konden we DNA-origami eigenlijk alleen op analytische schaal maken. Maar een PhD-student in onze groep heeft een manier gevonden waarbij bacteriën zich op de DNA-synthese storten. Zo kunnen we op grote schaal DNA-origami maken, waardoor we in de toekomst dierstudies kunnen doen.’ In de groep van William Shih van Harvard University is een volgende grote stap gemaakt. ‘Shih is een van de grondleggers van DNA-origami’, vervolgt Engelen. ‘Hij is er in geslaagd om DNA-origami stabieler te maken, zodat het niet zo snel wordt afgebroken in bloed.’

Dat is Shih gelukt met een speciale coating. ‘Shih’s onderzoeksgroep gebruikt een oligolysine-PEG-coating die bindt aan de origamistructuren door middel van electrostatische interacties’, licht Engelen toe. ‘Door deze coating blijft de structuur stabiel in fysiologische zoutconcentraties, zonder coating zouden ze uit elkaar vallen in afwezigheid van voldoende Mg2+ ionen. Ze zijn tot wel duizend keer stabieler in de aanwezigheid van nucleases vergeleken met niet-gecoate DNA-origamistructuren.’

Nog geen killer application

Engelen denkt daarentegen weer dat DNA-origami de kliniek wel zou kunnen bereiken, maar het zal nog even duren. ‘Er zijn nog grote stappen nodig en de toekomst moet leren of DNA-origami meer voordelen heeft dan andere methodes.’ Dekker is ook niet helemaal zeker. ‘Ik heb lang zitten puzzelen op een killer application, maar ik zie nog niet echt een real world toepassing.’ Ook is het een prijzige zaak, vertelt Dekker. ‘Je bent zo een paar duizend euro kwijt voor het op te vouwen DNA-basismateriaal, hoewel de prijzen tegenwoordig hard naar beneden gaan.’

‘Ik voorzie meer biomedische toepas-singen voor eiwit-nano­technologie dan voor DNA-origami’

‘Het zou mooi zijn als DNA-origami toegankelijker wordt in de nabije toekomst’, hoopt Engelen. ‘Je ziet het nu vooral in gespecialiseerde laboratoria, terwijl veel niet-experts de technieken wel zouden kunnen gebruiken.’ De grootste uitdaging volgens Engelen? ‘Het verder definiëren van de regels voor het ontwerpen van complexe 3D-conformaties. Daarnaast zou ik graag software zien, zodat DNA-origami een meer algemene techniek wordt die niet-experts ook kunnen gebruiken.’

Eiwitorigami

Verschillende onderzoeksgroepen, waaronder die van Wouter Engelen, kijken ook naar eiwitten. ‘In plaats van staple strands van DNA gebruikten we korte eiwitten die bepaalde regionen van het circulaire DNA binden, net als normale staples. Zo konden we DNA vouwen in verschillende vormen, zoals een vierkant.’ Engelen denkt niet dat eiwitten gebruiken per se voordelen heeft. ‘Het was voor ons meer een oefening, een fundamentele zoektocht naar de mogelijkheden. Daarnaast is het ontwerpen van eiwitten een lastige en tijdrovende taak, terwijl je DNA-origami binnen een week kunt laten afleveren.’

Wel is peptidenanotechnologie een ontzettend interessant gebied, aldus Tom de Greef. ‘Je gebruikt dan interacties tussen peptides om driedimensionale nanostructuren te bouwen als doosjes en pyramides. Deze techniek zit echt in de lift.’ De Greef ziet juist voor eiwitorigami kansen in de biomedische hoek. ‘DNA breekt snel af in het lichaam. Maar zodra gevouwen eiwitten voorbij de zure maag zijn, dus in de bloedbaan, blijven ze veel langer intact en voorzie ik dus meer biomedische toepassingen voor eiwit­nanotechnologie dan voor DNA-origami.’

 

RNA-tegels

Naast met DNA, werkt origami ook met RNA dat je in de cel zelf kunt laten produceren. ‘Dat werkt net als DNA-origami op basis van hybridisatie’, vertelt Cees Dekker. ‘In de biologie zijn DNA en RNA heel verschillend, maar je kunt ze voor dezelfde origamidoeleinden gebruiken.’ Samen met Chenxiang Lin uit Yale bouwt Dekker momenteel RNA-tegeltjes die zichzelf verzamelen tot langere filamenten op een lipidemembraan, die helicases weer uit elkaar kunnen trekken. Dekker: ‘Het idee is om zo een modelsysteem te ontwikkelen voor celdeling’.

Tom de Greef geeft daarbij aan dat je RNA in een levende cel veel makkelijker kunt vouwen dan DNA. ‘Bij RNA-origami transformeer je een cel met een door de computer gecodeerd gen wat de cel omzet in RNA.’ Door de intrinsieke structuur vouwt het RNA zichzelf op en als de cel een aantal van die gevouwen RNA-structuren heeft gemaakt, kunnen die spontaan assembleren. Een nadeel is wel dat RNA instabieler is dan DNA.

Onderwerpen